Способ профилактической обработки горного массива и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК E21F5/02 

обрс1эом, известный способ имеет невысокую Э1) Ьективность и связан с большими злтратами времени и средств Для осуществления известных способов используются устройства, включающие герметизатор скважины, высоконапорный насос с контрольно-измеРИтеЛьной аппаратурой и напорную магистраль. При необходимости в устройство входит также повыситель давЛенин или источник импульсов давления 3. Однако указанные устройства не имеют автоматизированного управления параметрами нагнетания в зависимости от фильтрационно-коллекторских свойств пласта. Наиболее близким к изобретению является -устройство для непрерывного автоматического сейсмоакустического измерения изменений динамического шума породного массива, которое, в принципе, можно использовать для управления насосной установкой, хотя назначением его является регист рация с помощью электрической пишущей машинки династического, шума породного массива для дальнейшего изучения напряженно-деформированных и неустойчивых состояний породного массива. Известное устройство содержит геофоны, к которым последователь но по двум изьдарительным канашам подключены буферные ступени, аттенюа торы, усилители, низкочастотные фильтры, разделительные усилители, бло ки формирования сигналов, регуляцион ные контуры для выбора амплитудного уровня, детекторы, опрокидывающиеся схемы Шмидта, счетчики, блок индикации .и блок записи, а также блок управления с выходом на концевые механизмы. Оборудование производит анализ с помощью автоматической цифрово записи частоты сейсмоакустических импульсов в выбранном интервале времени. 4 . Недостатки известного устройства отсутствие цепи обратной связи, поз воляющей изменять воздействие на контролируемую зону пласта; р устройстве применена частотная селекция сигналов на фоне помех с помощь фильтра низких частот, а также амплитудная селекция, осуществляемая регуляционными контурами.. Известно, что -импульсный сигнал помехи имеет очень широкий спектр частот, поэтому обеспечить защиту от помех часто ной селекцией практически невозможно. Амплитудная селекция защищает лишьот помех, амплитуда которых меньше порогового напряжения. При уве личении порогового напряжения уменьшается количество сигналов помех, но при этом снижается и радиус действия аппаратуры, поскольку из обработки исключаются сигналы акустической эмиссии,обусловленные динамическими явлениями, происходящими в удаленных от мест установки геофонов участках. Цель изобретения - повышение эффективности профилактической обра- , ботки горного массива и снижение продолжительности ее путём автоматического выбора режима нагнетания в зависимости от изменения фильтрационно-коллекторских свойств горного массива. Поставленная цель достигается гем, что в процессе нагнетания жидкости определяют изменение акустической эмиссии в постоянный интервал времени в зависимости от давления жидкости, причем подъем давления жидкости осуществляют ступенями, а при увеличении приращения акустической эмиссии до порогового значения давление снижают до предыдущей ступени и повторно осуществляют контроль, причем за пороговое значение прини мают среднюю величину приращения акустической эмиссии. Для осуществления .способа предлагается устройство для .г-профилактической обработки горного массива, содержащее насоснУю установку с гидромагистралями и герметизаторами, скважин, геофоны, последовательно соединенные блоки усилителей, фильтров и формирования сигналов, и блоки управления режимом и приводом насоса. Устройство содержит последовательно соединенные блок пространственной селекции и блок анализа зависимости акустической эмиссии от давления нагнетания, включенные между блоками формирования сигналов и блоком управления приводом насоса, а к ним и к блоку управления приводом насоса параллельно подключен блок управления режимом. На фиг.1 прказана блок-схема устройства;, на фиг.2 - функциональная схема блока пространственной селекции; на фиг.З - функциональная схема блока анализа зависимости акустической эмиссии от давления нагнетания; на фиг.4 - график изменения давления нагнетания во времени в зависимости от приращения акустической эмиссии. Процесс нагнетания жидкости начинают с включения двигателя насоса без подачи .жидкости в загерметизированную скважину. Добившись максимальных оборотов двигателя насоса, регулирук)Т коэффициент усиления, частоту среза фильтров верхних частот и зону нечувствительности звеньев нечувствительности для обеспечения защиты от непрерывных помех, а также проверяют работоспособность блока пространственной селекции.

Нагнетание жидкости в массив начинают с минимального давления, например, ,0 10 кгс/см. На кривой изменения давления нагнетания во времени 1 начальный период длится интервал времени равный где t время включения режима поинтервального повышения давления; to - время включения насоса в работу Сом. фиг. 4). С момента времени -t повышение давления осуществляют ступенями, например по 10 кгс/см, и одновременно фиксируют акустическую эмиссию в зоне массива, подвергаемой профилактической Обработке. На протяжении интервала контроля д-t даление нагнетания поддерживают постоянным и выделяют количество сигнапов, поступающих из массива. Для выявления закономерности изменения акустической эмиссии необходимо на рабочем участке характеристики насоса несколько интервалов контроля и определить среднюю величину приращения акустической эмиссии р интервале контроля, на основании которой выбирается пороговое значение приращения акустической эмиссии (дАц). Дальнейшее изменение режима нагнетания жидкости осуществляют с учетом временных зависимостей конрольного (кривая П) и текущего (кривая Ш) поинтервального изменения акустической эмиссии. При значениях текущих значений прира1аений акустической эмиссии (ДА) в контролируемом интервале меньшем чем ДА| переходят на следующую, более высокую, ступень давления. Если в какой-либо момент времения на контролируемом интервале необходимо сразу переходить на болеенизкую ступень давления. Если повторный контроль на данной ступени покажет, что дА &АК, то снова переходят на следую.щую, более высокую, ступень давления, а если ЛА- достигает ДАц, то давление еще снижают на одну ступень..

Таким образом, предлагаемый .способ позволяет быстро выйти на режим нагнетания, соответствующий предельным значениям фильтрационноколлекторских свойствгорного массива и избежать нежелательного гидравлического разрыва пласта.

Устройство для осуществления указанного способа содержит геофоны 1 и l, которые улавливают сигналы акустической эмиссии, возникающие в массиве (см. фиг.1). Геофоны размещают по оси короткого шпура, пробуренного в забое выработки. Такое размещение позволяет в дальнейшем фиксировать только сигналы, поступающие из массива за плоскостью 1-2 проходящей через середину расстояния между геофонами.Сигналы с выхода геоф,она усиливаются усилителями 2

и 2 и поступают на фильтры высоких частот 3 и З, которые подавляют наиболее интенсивные спектральные составляющие непрерывных помех, обусловленных работой насоса, шахтных транспортных, выемочных и других машин и механизмов. Подавление этих помех осуществляется за счет того, что в спектре сигналов акустической эмиссии, возникающих при образовании новых, углублении и расширении ста0рых трещин, имеются более высокочастотные составляющие, чем при работе указанных машин и механизмов. Сигнал с выхода фильтров поступает на вход звеньев нечувствительности 4 и 4,

5 которые служат для амплитудной селекции полезных сигналов на фоне непрерывных помех. Необходимость в звеньях нечувствительности определяется тем, что фильтры 3 и з не могут

0 полностью подавить сигналы непрерывных помех. Кроме того, в результате непрерывных небольших подвижек в гор ном массиве .с выхода геофонов постоянно -снимается фоновое напряжение,

5 имеющее высокочастотные составляющие небольшой амплитуды. К фону относятся также сигналы, возникающие в результате воздействия на геофоны переотраженных от различного рода неоднородностей массива волн, кото0рые вследствие затухания имеют меньшую, по сравнению с первичной волной, амплитуду. Выходной сигнал звеньев нечувствительности поступает на входы схем формирования сигналов, кото5рые состоят из блоков двухполупериодных выпрямителей 5 и 5 и одновибраторов 6 и 6.

Блоки 5 и 5 преобразуют двухпоЛЯрНЫЙ входной СИГНсШ в ОДНОПОЛЯр0

ный двухуровневой сигнал, согласованный с последующигли логическими элементами схемы. Двухпояупериодное выпрямление позволяет сохранить информацию о времени вступления сигнала акустической эмиссии вне зависи5мости от его полярности. Импульсные сигналы блоков 5 и 5 управляют работой одновибраторов с повторным запуском 6 и б , которые при поступлении на вход импульса перебрасывают0ся в противоположное исходному состояние и удерживаются в нем, если длительность паузы между входными импульсами не превышает, например, О,01-с, поскольку, как показали ис5следования, один акт образования новых, удлинения или расширения старых трещин сопровождается высокочастотными составляющими, которые в течение елиничного акта акустической эмиссии могут прерываться на интер0ыал времени в 0,005 - 0,007 с. В противном случае схема возвращается в исходное состояние. Таким образом формируется импульс на ктждый единичный акт трешинообразования, сопро5вождающийсягармоническим, амплитудно-частотно-модулированным затухающим процессом. С выходов одновибраторов сигналы поступают на входы бл ка пространственной селекции 7, где за счет разности времени прихода им пульса от источника на разнесенные геофоны 1 и 1 выделяются только им пульсы, поступаквдие от .источников, находящихся в массиве за плоскостью 1-1-. С выхода блока пространственной селекции сигналы поступают в блок 8 анализа зависимости акустической эмиссии от давления нагнетания, где осуществляется формирование интерва ла контроля, определяется .контроль,ное значение приращения акустической эмиссии, производится сравнение текущего значения приращения с поро roBbiN-. и вырабатываются управляющие импульсы для бЛока управления приводом.9, который оказывает воздействие на насосную установку 10, обеспечивая ступенчатое изменение давления нагнетания. В момент включения режима поинтервального повышения давления блок управления 11 режимом, включенный параллельно бло кам 7-9, вырабатывает импульс, которым логические элементы этих бл ков устанавливаются в исходное соетояние. Блок управления приводом может включать реверсивный счетчик импульсов, цифровой код которого преобразуется с помощью цифроаналог вого преобразователя в напряжение, которым управляется, например, тиристорный преобразователь частоты, питающий двигатель насосной установ ки. Блок индикации 12 предназначен для контроля за работой основных бл ков устройства. Нагнетание жидкости в массив производят с. помощью скважины через герметизатор 13. Блок пространственной селекции (см. фиг.2) состоит из двух ТрИГГеров 14 и 14 , подключенных к логическим схемам ИЛИ-НЕ 15, И 16 .и ИЛИ 17, Установка триггеров в исход ное состояние осуществляется одновибратором 18, который запускается через схему ИЛИ 17 от блока управле ния режимом. Функциональная схема блока ангшиза зависимости акустической эмиссии от давления (см. -фиг.З) включает счетчик импульсов 19, схему сравнения 20, коммутатор 21, регистр 22, подсоединенный к схеме сравнения, последовательно соединенные логичес кий элемент И 23, делитель частоты 24 и счетчик контрольного значенкя приращения акустической эмиссии 25, каскады формирования интервала контроля 26, выработки импульса записи 27 и выработки внутриинтерваль ного импульса установки нуля 28, триггер управления счетчиком интервалов контроля 29, логический элемент И 30, счетчик интервалов контроля 31, дешифратор 32 и триггер управления формированием порогового значения приращения 33, образующие последовательную цепь и подсоединенные к логическим элементам И 30, 23 и 34. К каскаду 28 и элементу И 34 подключены счетчик текущего значения приращения 35 и схема сравнения 36 с выходом на блок управления приводом 9. . Предлагаемое устройство работает следующимобразом. Нагнетание жидкости в пласт, например, с целью предотвращения внезапного выброса угля и газа, может осуществляться насосной установкой типа УНР или УН-35. Герметизация скважины может производиться герметизатором ТГ-100. После окончания режима запуска начинается режим поинтервального повышения давления и начинается регистрация с помощью геофонов 1 и 1 акустической эмиссии в обрабатываемом массиве. При этом блок управления режимом 11 вырабатывает импульс, которым логические элементы блоков 7-9 устанавливают; ся в исходное состояние. Одновремен-н6 включается каскад формирования интервала контроля 26, который через равные промежутки времени (интервалы контроля) вырабатывает управляющие импульсы. Эти управляющие импульсы периодически поступают в блок управления приводом 9, который оказывает воздействие на насосную установку 10, обеспечивая ступенчатое повышение давления нагнетания. С началом каждого интервала контроля каскад выработки импульса записи 27 вырабатывает короткий импульс, которым открывает коммутатор 21, и двоичный код счетчика импульсов 19 переписывается в регистр 22. Задним фронтом импульса каскада 27 запускается каскад выработки внутриинтервального импульса установки О 28, который в начале каждого интервала контроля устанавливает соответствующие каскады 8 в исходное состояние. В начале первого G момента включения режима поинтервального повышения давления нагнетания интервала контроля в каскадах 19 и 28 записаны нули, поэтому схема сравнения 20 фиксирует равенство поступающих на ее входы цифровых кодов и устанавливает .на своем выходе логическую единицу до начала следующего интервала контроля. В случае, если в первые несколько интервалов контроля повышения давления не фиксируются акустические сигналы, схема сохраняет вышеоп;исанное состояние. Появление сигнала регистрируется обоими геофонами 1 и 1 и передается до блока7 по параллельным цепям. В блоках2 6 происходит подавление помех ивыделение полезных сигналов. Работа этих блоков осуществляется по вышеописанн12м принципам. До поступления сигналов в блок пространственной селекции 7 блок управле ния режимом вырабатывает импульс, который, пройдя схемы Й11И 17 блока 7, запускает одновибратор 18. Одновибратор устанавливает триггеры 14 и 14 в исходное состояние, пЕ)и этом схема, И 16 открыта по одному выходу высоким уровнем напряжения, снимаемого с инверсного выхода триг гера 14. Поэтому, если вначале сиг нал акустической эмиссии приходит на геофон 1, он проходит через схему И 16 для дальнейшей обработки. Если же сигнал вначале достиг геофона 1 , триггер 14 перебрасывается в противоположное состояние, обеспечивая закрывание схемы И 16. Цикл работы блока пространственной селек ции 7 заканчивается, когда сигнал акустической эмиссии минует точки установки геофонов. При этом с инверсных выходов и входов установки в 1 обоих триггеров 14 и 14 снимаются ниэкие уровни напряжения, что приводит к появлению высокого уровня напряжения на выходе схемы ИЛИ-НЕ 15. Этот высокий уровень напряжения проходит схему ИЛИ 17 и запускает одновибр тор 18,задним фронтом импульса кбторого триггеры 14 и 14 перебрасываются в противоположное состояние, чем обеспе ивается переход в исходное состояние всех узлов блока пространственной с лекции. Выделенный полезный сигнал акуст ческой эмиссии из блока 7 поступает в блок 8 и одновременно в блок инди кации 12. В блоке 8 срабатывает три гер управления счетчиком интервалов контроля 29, при этом открывается по одномувходу схемы И 30, и после дующие импульсы из каскада 27 посту пают на вход счетчика интервалов контроля 31. В то же время схема И открыта по двум входам сигналами ло гической единицы схемы сравнения 20 и триггера управления формированием контрольного значения приращения акустической эмиссии 33. Поэтому во время интервала контроля, к котором приходит первый импульс акустическо эмиссии, все импульсы блока 7 посту пают в счегчик 19 и через делитель частоты 24 в счетчик контрольного значения приреицения (.) 25. С началом следующегоинтервала контроля двоичный код счетчика импульсов 19 переписывается в регистр 22 и каскады 19 и 20 устанавливаются в нулевое состояние. Счетчик импульсов 19 продолжает подсчет импульсов, и в момент времени, когда цифровые кодьа счетчика импульсов 19 и регистра .22 сра-вниваются, схема сравнения 20 установит на своем выходе сигнал логической единицы и последукицие в данном интервале кО1|троля сигналы акустической эмиссии поступают через делитель Частоты 24 на вход счетчика контрольного значения приргиаекия 25. Таким образом, в течение, например, N+1 интервалов контроля на вход делителя частоты поступают все импульсы, порядковый номер которых превышает значения,-подсчитанные счетчиком импульсов 19 в предыдущие интервалы контроля. После того, как на вход счетчика интервалов контроля 31 поступит N импульсов, что соответствует заданному повышению давления нагнетания, например, до 70% от давления, соответствующего гидроразрыву для данного пласта, дешифратор 32 устанавливает на своем выходе сигнал логической единицы, который триггер 33 перебрасывает в противоположное состояние и схема И 23 оказывается закрытой. Коэффициент деления делителя частоты 24 выбирают несколько , меньше чем N+1, поэтому на счетчике контрольного значения приращений акусцической эмиссии 25 формируется код порогового значения, взятый с доверительным интервалом. В последующие интервалы контроля импульсы акустической эмиссий, порядковый номер которых превышает значение, подсчитанное в предыдущем интервале и записанное в регистр 22, поступает через схему И 34 на счетчик текущего- значения приращение 35. Схр.ма сравнения 36 производит сравнение кодов счетчика 35 с кодом счетчика 25 и выдает разрешение в блок 9 о переходе на следующую более высокую ступень давления нагнетания. Если в какой-либо-момент эти коды сравнялись, то на выходе схемы 36 появляется сигнал логической единицы, который поступает в блок управления приводом 9, вследствие чего.насосная установка 10 снижает давление до предыдущей ступени. Одновременно сигнал из блока 9 поступает в ка.скад 26, обеспечивая -включение следующего интервала контроля, и на коммутатор 21, запрещая запись в регистр 22 кода счетчика импульсов 19, тем самым сохраняя в регистре опорное .значение акустической эмиссии, измеренное в интервале контроля, не сопровождающейся началом гидравлического разрушения .массива. Если на следующем интервале контроля текущее значение приращения акустической эмиссии не сравнивается с пороговым значением, то блок 8 вьщает сигнал блоку 9 о подьеМО давления нагнетания на очередную v-тупень. Если снова эти значения сраиияюгся, то вьщается сих-нал на (мшжение данления еще на одну сту-Пень. Обрггботка массива заканчивается, когда на предельном режиме работы устройства массив не принимает жидкость, что свидетельствует о его насыщении. I

Использование предлагаемого способа профилактической обработки горного массива и устройства для ег осуществления позволяет сризить затраты времени на нагнетание жидкости повысить надежность профилактических мер и снизить затраты средств на обслуживание за счет автоматизации процессов контроля и управления Кроме того, изобретение позволяет производить нагнетание в режиме оптимальной фильтрации, т.е. не допуская гидроразрыва пласта причем с быстрой автоматической перестройкой параметров нагнетания для согласования с физико-механическими свойствами наиболее склонного к гидрорызрыву в каждый текущий момент времени локального участка обрабатываемого массива.

Формула изобретения

1. Способ профилактической обработки горного массива, включающий нагнетание жидкости в массив при подъеме давления до порогового значения, отличающийся тем что, с целью повышения эффективности и сокращения продолжительности обработки путем автоматического выбора режима нагнетания в зависимос(ти от изменения фильтрационно-колпекторских свойств горного массива, определяют изменение в интервале времени акустической эмиссии увлажняемой зоны массива в зависимости о давления жидкости при ступенчатом подъеме давления на каждом интервале, а при достижении текущим значением приращения акустической змиссии пороговой величины давление снижают до предыдущей ступени и повторно осуществляют контроль, причем за по,роговое значение принимают среднюю величину приращения акустической эмиссии.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1,содержащее насосную установку с гидромагистралями и герметизаторами скважин, геофоны и последовательно соединенные блоки усилителей, фильтров, формирования сигналов и блоки индикации, управления режимов и приводов насоса, о т л ичающееся тем, что оно содержит последовательно соединенные блок пространственной селекции и блок анализа зависимости акустической эмиссии от давления, включенные между блоками формирования сигналов и блоком управления приводом насоса, а к ним и к блоку.управления приводом насоса параллельно подключен блок управления режимом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 174586,кл. Е 21 F 5/02, 1964.

2.Авторское свидетельство СССР

№ 175468, кл. Е 2f F 5/02,1964 (про.тотип).

3.Авторское свидетельство СССР (№ 296892, кл. Е 21 F 5/02, 1969.

4.Авторское свидетельство СССР

№ 402840, кл. G 01 V 1/24,1.971 (прототип) .