Спосіб оцінки напруженого стану гірських порід

УКРАЇНА (19) U A 01)53143 (51)7Е21С45/ОО МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ДЕКЛАРАЦІЙНОГО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД видається під відповідальність власника патенту (54) СПОСІБ ОЦІНКИ НАПРУЖЕНОГО СТАНУ ГІРСЬКИХ ПОРІД 1 (21)2002032285 (22) 22 03 2002 ( 2 4 ) 1 5 01 2 0 0 3 (46) 15 01 2003, Бюл № 1, 2003 р (72) Кулинич Віктор Степанович, Кулинич Сергій Віісгорович (73) ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ 57) Спосіб оцінки напруженого стану масиву гірських порід, що включає буріння свердловини, відбір з неї керна, визначення його МІЦНІСНИХ властивостей, герметизацію у свердловині за допомогою пдрозатвора нагнітальної камери, нагнітання в неї робочої рідини до пдророзриву порід та вимірювання критичного і стабілізованого тисків пдророзриву, за якими визначають головні напруження в масиві, який відрізняється тим, що перед нагнітанням робочої рідини вимірюють в нагнітальній камері усталений тиск газу і встановлюють його склад, МІЦНІСНІ властивості керна визначають після його насичення газом встановленого складу при тиску, рівному виміряному, а більшу компоненту поля напружень обчислюють із залежності Де Smax г ' більша компонента поля напружень в газоносному масиві, Рст - стабілізований тиск робочої рідини, Р* - границя опору пдророзриву газонасичених породних зразків, m - коефіцієнт тріщинно-порової структури, Ро - тиск газу у нагнітальній камері, 5рг, 5СГ - ВІДПОВІДНО границі МІЦНОСТІ газонасиче них зразків на розтяг та стиснення, Р* - критичний тиск робочої рідини в нагнітальній камері, к-| - коефіцієнт передачі герметизуючого тиску на стінки свердловини, I і - коефіцієнт взаємодії тиску робочої рідини в нагнітальній камері з пдрозатвором W - 1 _ Р* / Р Рзат - розпірний тиск в пдрозатворі CO Винахід відноситься до гірничої промисловості і може бути використаний для оцінки напруженого стану масиву гірських порід Відомий спосіб оцінки напруженого стану породного масиву, при якому визначають чисельні значення головних складових поля напружень за параметрами гідравлічного розриву і міцностних властивостей гірських порід [1] Недоліком способу є недостатня точність оцінки напруженого стану газоносного масиву з причини неврахування впливу газового середовища на зменшення міцностних властивостей гірських порід Найбільш близьким технічним рішенням є спосіб оцінки напруженого стану гірських порід, вмішуючий буріння кернової свердловини, герметизацію в ній розпірним пдрозатвором нагнітальної камери, нагнітання робочої рідини до критичного і наступного стабілізованого тисків, лабораторні випробування міцностних властивостей кернового матеріалу і обчислення головних напружень [2] Недолік способу в неврахуванні тиску та складу газового середовища на зміну міцностних властивостей гірських порід, що приводить до суттєвої помилки при обчисленні більшої компоненти діючого поля напружень В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу оцінки напруженого стану газоносних гірських порід, в якому визначають перед нагнітанням робочої рідини у нагнітальну камеру усталений у ній тиск газу та його склад Лабораторні випробування міцностних властивостей зразків, виготовлених із кернового матеріалу, виконують в експериментальних пристроях після насичення їх газом встановленого складу при створенні тиску, рівного виміряному в нагнітальній камері, а більшу компоненту поля напружень в газоносному масиві гірських порід обчислюють по встановленій аналітичній залежності Поставлена задача вирішується тим, що у со Ю 53143 ного складу при тискові, рівному виміряному, дозволяє отримати уточнені МІЦНОСТНІ характеристики, необхідні для обчислення напружень в газоносному масиві Обчислення більшої компоненти поля напружень із залежності (1) дозволяє підвищити точність оцінки напруженого стану газоносного масиву за рахунок використання уточнених міцностних характеристик газонасичених гірських порід Запропонований спосіб реалізують таким чином Із підземної гірничої виробки, пройденої на горизонті 950м шахти їм Ю О Гагарша ДХК "Артемвуплля" по газоносному пісковику пробурили З кернових свердловини діаметром 44м і довжиною 15м кожна, В донній частині свердловини за допомогою пдрозатвору з вмонтованими манометричними трубками герметизували шляхом створення розпірного тиску Рзат = 35МПа нагнітальну камеру (1) довжиною 0,2м За показаннями манометра, з'єднаного з маде Птах г - більша компонента поля напружень нометричною трубкою, визначили усталенийу в газоносному масиві, нагнітальній камері газовий тиск, величина якого Рст - стабілізований тиск робочої рідини в надосягла ЮМПа Через перехідний штуцер здійсгнітальній камері, нили відбір газу в герметичні колби для визначенр* г ня його складу Потім ПІСЛЯ скиду надлишкового - границя опору газонасичених зразків пдтиску газу у нагнітальну камеру за допомогою виророзриву, соконапірного насоса НР-0,1 нагнітали робочу ріРо - тиск газу у нагнітальній камері, дину до критичного і стабілізованого тисків, які способі оцінки напруженого стану гірських порід, вміщуючого буріння свердловини, відбір з неї керна, визначення його міцностних властивостей, герметизацію у свердловині за допомогою пдрозатвору нагнітальної камери, нагнітання в неї робочої рідини до пдророзриву порід та вимірювання критичного і стабілізованого тисків пдророзриву, за якими визначають головні напруження в масиві, згідно винаходу, перед нагнітанням рідини вимірюють тиск газу в нагнітальній камері і встановлюють його склад, лабораторні випробування міцностних властивостей керна виконують після насичення його газом встановленого складу при тискові, рівному виміряному в нагнітальній камері, а більшу компоненту поля напружень обчислюють із аналітичної залежності а р г , а с г - ВІДПОВІДНО границі МІЦНОСТІ газонаси чених зразків на розтяг та стиснення, р* к - критичний тиск робочої рідини в нагнітальній камері, Кі - коефіцієнт передачі герметизуючого тиску на стінки свердловини, \\і - коефіцієнт взаємодії тиску робочої рідини в нагнітальній камері з пдрозатвором, Рзат - розпірний тиск в пдрозатворі Визначення перед нагнітанням робочої рідини у нагнітальну камеру усталеного у ній тиску та його складу дозволяє КІЛЬКІСНО та якісно оцінити параметри природного газового середовища в породному масиві Виконання лабораторних випробувань міцностних властивостей кернового матеріалу після насичення його газом встановле складали ВІДПОВІДНО Р* - ЗОМпа, Рст = 25МПа В лабораторних умовах визначили, що у газовій суміші, відібраній із нагнітальної камери, головним компонентом (97%) був метан В невеликих концентраціях виявлено наявність важких вуглеводнів Випробування міцностних властивостей гірських порід виконували по стандартним методикам в пристроях високого тиску Газонасичення циліндричних породних зразків, виготовлених із кернового матеріалу, проводили метаном при створеному тискові ЮМПа протягом декількох годин, після чого здійснювали їх руйнування стисненням, розтягом і пдророзривом, Для порівняння аналогічні випробування виконували на дегазованих зразках Результати лабораторних випробувань приведені в таблиці Таблиця Стиснення, МПа Розтяг, МПа СГр г СГс г 122 87 Гідророзрив, МПа 12 Р* 6 26 Із приведених експериментальних даних видно, що МІЦНОСТНІ властивості зразків пісковику в метановому середовищі при тискові ЮМПа зменшуються в 1,4 - 1,7 раз По залежності (1), використовуючи приведені в таблиці ВІДПОВІДНІ експериментальні значення, обчислили величину більшої компоненти поля напружень в газонасиченому масиві Птах г - 51МПа Для порівняння в таблиці приведене обчислене значення величини більшої компоненти поля напружень а т а х без врахування впливу газового середовища на зміну МІЦНОСТНИХ Рг 15 Більша компонента по Ф-лі (1), МПа Стах Стах г 62 51 параметрів породи Із приведених даних видно, що неврахування впливу газового середовища як понижувача міцностних властивостей гірських порід призводить до значної (більше 20%) погрішності при ОЦІНЦІ напруженого стану газоносного породного масиву Джерела інформації 1 А с № 857464, Е 21 С 39/00 — СССР — Способ оценки напряженного состояния горных пород / Ф А Абрамов, В С Кулинич, ГА Шевелев, ВФ Лозовский, ЮА Герасименко —БИ —1981 5 53143 6 — № 31 жений в массиве пород // Уголь Украины — 1986 2 Кулинич В С , Шевелев ГА Использование — № 3 — С 11 -13 (прототип) гидравлического разрыва для изменения напря ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24