Способ гидравлического разрыва горных пород Советский патент 1981 года по МПК E21B43/26 

(64) СПОСОБ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРЫВА ГОРНЫХ .ПОРОД

I

Изобретение относится к горному делу-и строительству подземных сооружений и может применяться для достижения гидравлического разрыва с об-; разованием закрепленных и полых трещин в кристаллических массивах или напластованиях твердых, в частности, мерзлых льдонасыщенных горных пород при необходимости последующего использования созданных трещин в качестве путей движения потоков жидкости или газа, например, для конвективного переноса тепла от горячих горных пород к скважине или от скважины к мерзлым горным породам, в качеству ослабленной или свободной поверхности при разрушении горных пород и в других случаях.

Известен способ гидравлического разрыва горньк пород, основанный на нагнетании жидкости в горные породы с образованием в них трещины гидравлического разрыва и последующем переносе в трещину взвешенного зернистого закрепляющего материала с определенной концентрацией - от 0,01 до 0,59 г/см , после чего требуется 0,1-50 ч поддерживать в скважине и трещине высокое давление.

Способ предусматривает использование определенных составов и гранулог;. метрических характеристик зернистого материала, обеспечивающих расположение зерен в несколько слоев flj10

Недостатком известного способа является невозможность достижения необходимой ширины трещины и сохранение ее во время нагнетания постоянного положения границы площади

IS распространения закрепляющего слоя с получением за контуром этой площади части трещины, сохранившейся в полом состоянии.

Известен способ гидравлического

20 разрыва горных пород, включающий осуществление разрыва горных пород путем нагнетания в разрьшаемую зону жидкости под давлением и последующую закачку в эту зону отверждающегося вещества .2 J. Однако при известном способе формирующаяся трещина имеет недостаточную ширину, а полая часть трещины отсутствует.. Цель изобретения - увеличение ширины формирующейся трещины и сохранение части трещины в полом состояПоставленная цель достигается тем, что в качестве отверждающегося вещества закачивают расплавленное вещество, температура отверждения ко торого вьше температуры горных пород, причем расход потока расплавленного вещества определяется, исходя из зависимости (4()(уТ,)( )F JV- о W - объемный расход расплавлен ,ного вещества, С-ул-Су - коэффициент тепловой актив - нрсти горных пород; Дж/(м град.с-V; JL- коэффициент тепловодности горных пород, Вт/(м -град с - удельная теплоемкость горных пород, Дж/(кг. град, - плотность горных пород, Тп температура отверашения л расплавленного вещества, Т,- температура горных., пород,-С; и Сь. - отсчеты .времени от начала нагревания пород расплавле ным веществом, с; г - необходимая площадь распр деления расплавленного вещ ства в трещине, м ч - количество тепла отверждения единицы объема расплавленного вещества, Дж/м . Кроме того, с целью увеличения .протяженности формирующейся трещины закачку расплавленного вещества чер дуют е закачкой неотверждающейся жид кости. Причем в качестве расплавленного вещества закачивают нитрат натрия ил парафин или нитрит натрия. При разрыве горных пород с темаературой ниже О С в качестве расплавленного ве щества закачивают воду. В предлагаемом способе через про гретую скважину в сформированную путем закачки жидкости под давлением трещину в горных породах, имеющих температуру Ъ , закачивают в расплавленном состоянии с температурой Tg. вещество, температура отверждения которого TJj вьше температуры горных пород, пересеченных трещиной. Таким веществом в случае горных пород с температурой вьше может быть, например, нитрат натрия или парафин, или нитрит натрия. А для горных пород с температурой ниже О С - вода. Нагнетание указанного расплавленного вещества исключает операцию переноса взвешенного в жидкости зернистого материала для .закрепления по известному способу. В трещине образуется радиально расходящийся от скважины поток распавленного вещества, который по мере отдачи тепла в горные породы охлаждается на некотором расстоянии Х. до температуры Тр и начинает отвердевать, наслаиваясь на обеих стенках трещины в качестве крепления. Между наслоениями в трещине движется остальная частА потока рас плавленного вещества с температурой Тф, причем расход этого потока уменьшается, и на расстоянии Х достигнет нуля. Здесь образуется внешний контур площади наслоения отвердевшего вещества. На пути от.Х. до Х расплавленное вещество, имея температуру 1, не вызывает проплавлёния в ранее отвердевшем слое каналов. Такие каналы при закреплении трещины по известному способу ограничивали бы возможность поддержания давления, достаточного для дальнейшего расширения трещины и наращивания толщины слоя зернистого материала, подверженного размыву. В трещине между наслоениями отвердевшего вещества сохраняется и возобновляется щелевидная полость, проницаемость которой достаточна для продолжения непрерывного или периодического нагнетания, с давлением, обеспечивающим дальнейшее расширение трещины и одновременное увеличение толщины наслоения отвердевшего вещества, за- . крепляющего трещину. Во- время,нагнетания постепенно уменьшают расход расплавленного вещества в режиме, при котором согласно указанной формуле теплоотдача изотермически отвердевающего вещества равна кондуктивному потоку тепла в массивы горных пород на постоянной площади. Плотность потока тепла в каждый из дву полуограниченных массивов горных по род, разделенных трещиной, вычисляют в среднем за последовательные конечные промежутки времени по известной теплофизической зависимости4 )(, ), где С)/ - удвоенная средняя плотност потока тепла в полуограниченный массив горных пород за промежуток времени CZL.r л- /яПТ1 -trM) - коэффициент тепловой актив ности пород;, (м ГРАДС/2;, коэффициент теплопроводности пород, Вт(.м.град); удельная -теплоемкость пород Дж/(кг.град); Ц - объемный вес пород, кг/м J отсчеты времени от начала нагревания пород расплавле ным веществом, с. Площадь растекания расплавленног вещества от скважины до контура на.чала отвердевания F. яозможно, при необходимости, определить по форму- -Q-t где q qjptCV) удельная теплоемкость расплавленного вещества, Дж/(кг- град); объемный вес |этого вещества, кг/м. Таким образом, расход потока рас плавленного вещества определяется;, исходя из зависимости (4 g /т)СТо-Т,HCn -УРи,) . Q где W - объемный расход расплав, ленного вещества, мЗ/с; l/Xcy- коэффициент тепловой акт ности горных пород, ДжД град.с ); , Я. - коэффициент теплопроводности горных пород, Вт/( град); С- удельная теплоемкости го ных пЪрод, Дж/(кг-град ; у- плотность горных породj отверждения рас-, температура вещества, С; плавленного температура горных пород. С отсчеты времени от начала нагревания пород расплавленным веществом, с; необходимая площадь распростран ния расплавленного вещества в трещине, м ; Q - количество тепла отвержде, ния единицы объема расплавленного вещества, Дж/м. Периодическое поочередное нагнетание в скважину расплавленного вещества и неотвердевающей яоадкости вьшолняют с соблюдением следующих требований. Объем неотвердевающай жидкости, поданной за один полупериод в скважину, больше объема нагнетательных труб. Температура неотвердевающей зшдкости, нагнетаемой з,а один полупериод, больше объема закаыанного в предащуздем полупериоде расплавленного вещества. Нагнетание неотвердевающей жидкости продолжают до спада давления, как признака увеличения радиуса и площади распространения трепщн гидравлического разрыва. Нарастани максимального давления нагнетаемой неотвердевающей жидкости в каж- . дом следующем периоде - признак продолжающегося расширения трещины и наслаивающегося отвердевающего веще-, ства, а резкое снижение давления гризнак появлений новой трещины гид- , равлического. разрыва, не параллельной ранее образованной. Между периодами нагнетания допустимы перерывы на понижения температуры гор- ных пород, окружакицих трещину. На фиг. 1 изображена трещина гидравлического разрыва, разрез по par диальному направлению} на фиг. 2то же, вид в плане. Трещина 1 в горных породах 2 простирается вокруг буровой скважины 3 до своей границы 4. В трещине 1 находится закрепляющий ее слой отвердевшего расплавленного вещества 5, а в .периферической части между контуром б и трещиной сохраняется полость 7, которую возможно использовать в качестве -пути движения потока флюида, например, воды теплоносителя. Вокруг скважиньт также сохраняется часть трещины, не запол-. ненная отвердевщим веществом. Слой закрепляющего трещину отвердевшего вещества 5 распространяется не

зависимо от наклона трещины в преде лах кольцеобразной площади. Его внуренний контур 8 отделен от скважины расстоянием, которое зависит от режима расхода и температуры процесса нагнетания. Отвердевший расплав заполняет также пересеченные искусственной трещиной i естественные поры и трещины 9 в горных породах преграждая фильтрационные утечки. На фиг. 1 и 2 пунктиром показано вероятное расположение новых трещин 10 и 11 гидравлического разрыва, воникающих после изменения напряженного состояния горных пород, сжатых вследствие расширения и закрепления трещины 1.

Для осуществления способа требуются известные технические средства На поверхности необходим сосуд-нагреватель для подготовки расплавленного вещества, соединенный с напорным баллоном, из которого поступающие порции расплавленного вещества вытесняются в скважину неотверде;вающей жидкостью. Необходима термоизоляция оборудования и нагнетательной трубы. В скважине необходима труба для предварительного нагревания стенок.

ГГримером использования предлагаемого способа является проектная схема образования польпс трещин, входящих в систему, предназначенную для нагревания воды горными породами в теплофикационных целях. Температура гранита на глубине расположения трещин Т. равна 150 С. Через скважину известными операциями выполняют первый гидравлический разрыв с использованием воды. Затем скважину прогревают до температуры 280 С и нагнетают для продолжения гидравлического разрыва расплавленную смесь нитрата (.50%) и нитрита натрия с температурой Т2 равной 270°С. Температура отвердевания этого расплавленного вещества Т,

в Р

O

на . Таким образом, в данном случае Т на 100 С вьпяе Xf . разность незначительна. Требуется образовать в трещине слой отвердевшей смеси нитрата и нитрита натрия шириной О, 15 м и на площади 500 м с тем, чтобы вокруг внешнего контура, которого около 17 м, образовалась незаполненная креплением кольцеобразная часть треидины, в которой будет циркулировать вода - теплоноситель. Необходимый объем отвердевшего вещества составляет 75 м . Дпя данных условий режим расхода N нагнетаемой смеси расплавленного нитрата и нитрита натрия .определяется путем вычисления сначала значений плотности потока тепла q в гранит по известной формуле для промежутков времени по О,1 ч за первый час, и по одному часу за последующее время. Найденные значения q, известные значения площади F (500м) и теплоты отвердевания расплавленного вещества (60 ккал/м) позволяют по предложенной формуле вычислить объемный

расход для ряда последовательных промежутков времени, взятых при вычисле нии значений q. По нарастающему итогу С5т мируемых объемов закаченного расплавленного вещества находится продолжительность нагнетания 75 м зтого вещества. В данном случае она равна 6 ч. Найденные значения расхода изменяются от 118 м /ч в течение первого периода 0,1 ч (6 мин, 39,3 следующие 0,1 ч и т.д. до 15,0 в конце первого часа, в течение последнего, 6-го часа, расход составляет 7,6 MV4. Площадь полой периферической части трещины гидравлического разрьта вокруг внешнего контура ее заполненной части, где ширина достигает 0,15 м, составит около 1000 м. При указанной ширине полой части трещины вероятно образование оперяющих трещин по мере охлаждения и деформации гранита, что обеспечивает увеличение поверхности теплообмена.

Предложенный способ гидравлического разрыва экспериментально проверен в вечномерзлых льдонасьш енных гравийно-галечных и супесчаных породах с температурой -9 С. В качестве расплава отвердевающего вещества через скважину нагнетают пресную воду, отвердевающую при О С. Вода поступает в породы на глубине 5м. При первом приеме нагнетания за одну минуту давление достигает 12 МН/м и

в образовавшуюся трещину шириной 3 мм поступает 0,12 м- воды. Трещина горизонтальна,, но имеет вертикальные ответвления, по которым начинается выход воды на дневную поверхность.

5 .После 19-часового перерыва возобновляют нагнетание воды с максимальным давлением I1 МН/м и объемом закаченной воды 0,18 м. Ширина трещины увеличивается на 3 мм и отмечен прирост площади ее распространения, но вepтиkaльныx трещин больше не появляется, а прежние остаются запол ненными льдом. Далее , в течение 250 нагнетают воду через ту.же скважину 70 раз по 1-6 мин, а в сумме 180 мин в результате чего ширина горизонталь ной трещины, заполненной льдом, возросла до 18 мм на площади 1400 м. Таким образом, подтверждена возможность увеличения ширины и изменения направления трещины при повторных нагнетаниях. Две. группы скважины, в 11 м друг от друга, используют для нагнетания 0,2 м воды в режиме, обеспечивающем замерзание льда в трещине гидравлического разрыва на площади с радиусом внешнего контура 3 м от каждрй скважины. Ширина горизонтальной трещины достигает 0,004 м на площади 180 м , хотя ледяное наслоение распространилось только на площадь 50 м . Следовательно, на площади 130 м , за контуром ледяного заполнения трещина осталась полой, что предусматривалось при испытании спЬсоба. , Технико-экономическая эффективност предлагаемого способа видна при срав нении результатов образования трещин гидравлического разрыва в качестве путей движения потока жидкости-теплоносители между двумя скважинами. При известном способе образующаяся трещина имеет ширину около 0,005 м и заполнена зернистым материалом, допускающим только фильтрацию. Предлагаемым способом возможно образоват полые части трещин с щириной до 0,015 м и более, в которых поток жид кости испытывает на два-три порядка меньшее гидравлическое сопротивление, что делает эксплуатацию дешевле . Обеспечение возможности образования полых, несомкнутых участков тре щин для движения жидкого теплоносите ля в системах искусственной проницаемости для испохшзования тепловой энергии горных пород позволит во мно гих случаях пользоваться гидравличес ким разрывом по предлагаемому способу взамен подземных ядерных взрывов для разрушения пород. В случае , применения предлагаемого способа гидравлического разрыва на разрабртках вечномерзлых горных пород с применением взрывов подготовка полых или льдонаполненных трещин поз.волит уменьшить объем и стоимость буро-взрывных работ. Формула изобретения 1. Способ гидравлического разрыва горных пород, включающий осуществление разрьша горных пород путем нагнетания в разрьгоаемую зону жидкости под давлением и последукщую закачку в эт-у зону отверждающегося вещества, отличающийся тем, что, с целью увеличения ширины формирующейся трещины и сохранения части трещины в полом состоянии, в качестве отверждающегося вещества закачивают расплавленное вещество, температура отверждения которого вьш1е тем- пературы горных пород, причем расход потока расплавленного вещества определяется, исходя из зависимости (4e(-v)CTo-T,)H€t;7;--)p где ,V/ - объемный расход расплавленного вещества, м/с; -5.-V/LCj. кйэффициент тепловой активности горных пород Дж/См ,. град.с19; л - коэффициент теплопроводности горных пород, Вт/(МГрад ; с - удельная теплоемкость горных пород, Дж/ кг-град); плотность горных пород, кг/му температура отверждения расплавленного вещества. С; температура горных пород, °С; отсчеты времени от начала нагревания породы расплавленным веществом, с; необходимая площадь распространения расплавленного вещества в трещине. Q - количество тепла отверждения единицы объема расплавленного вещества, Дж/мЛ 2.Способ по п. Г, отличающийся тем, что, с целью увеличения протяженности формирующейся трещины, закачку расплавленного вещества чередуют с закачкой неотверждающейся жидкости. 3.Способ попп. 1и2, отличающийся тем, что в качестве расплавленного вещества закачивают 1 1 нитрат натрия или парафинили нитрит натрия. 4. Способ по пп. и 2, отличающийся тем, что при разрыва горных пород с температурой ниже О С, в качеств.е расплавленного вещества закачивают воду. 7А997 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США. № 3888311, 5 кл. 166-280, опублик. 1975. 2.Патент США № 3537529, кл. 1.66-271, опублик. 1970 (прототип).

1Г