Спосіб гідравлічного впливу на масив

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК a» SUn» 1479679 A1 (51) 4 E 2 1 F 5 / 0 2 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЄТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГИНТ СССР ОПИСАНИЕ К (21) 4263062/23-03 (22) 13.04.87 (46) 15.05.89. Бюл. № 18 (71) Институт геотехнической механики АН УССР (72) В.Н.Потураев, А.И.Волошин, * С И .Минеев, В.В.Репецкий и Г.М.Фридман (53) 622.817 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 960450, кл. Е 21 F 5/00, 1981. Авторское свидетельство СССР № 1081356, кл. Е 21 F 5/00, 1983. (54) СПОСОБ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МАССИВ (57) Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке пластов в сложных горногеологических условиях. Цель - повышение глубины и равномерности гидрооб работки путем интенсификации процесса | гидроударного роста глубоких магистральных трещин в массиве. Бурят скважины, герметизируют их и нагнетают в скважины по трубопроводу с задвижкой жидкость. Трубопровод с задвижкой устанавливают соосно скважине, Подают на забой абразивные вещества. Генерирование гидроударных волн осуществляют путем периодической полной остановки потока нагнетаемой жидкости задвижкой. Период перекрытия потока жидкости принимают кратным периоду образования повторной отраженной гидроударной волны. Продолжительность срабатывания задвиж* не превышает фазы гидравлического удара в столбе жидкости. Бурение скважины в пласт осуществляют в зоне нетронутого массива через вмещающие породы с заданным оптимальным углом наклона. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. I Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке в сложных горно-геологических условиях пластов, склонных к динамическим явлениям и другим производственным опасностям. Целью изобретения является повышение глубины и равномерности гидрообработки путем интенсификации процесса гидроударного роста глубоких магистральных трещин в массиве. На фиг.1 изображен график колебания давления в скважине при гидро n ударе; на фиг.2 - схема расположения скважины. Согласно предлагаемому способу производят бурение скважин, их герме тизацию^ нагнетание в скважину жид'кости, создание в столбе жидкости давления, мгновенное периодическое перекрытие и затем открытие потока нагнетаемой жидкости, при этом начальную скорость потока и давления нагнетания жидкости определяют из необходимости создания амплитуды волны гидравлического удара, достаточной 3 1479679 для образования трещин- Частота перс График колебания гидромеханического давления в скважине при гидравкрытия потока жидкости соответствует лическом ударе приведен на фиг.1. периоду образования повторной отраТаким образом, при использовании женной от задвижки волны гидра или, . эффекта гидравлического удара на ческого удара, а время срабатывания практике с целью повышения эффективзадвижки не превышает Лазы гидравлиности гидрообработки горного массива ческого удара в столбе жидкости до частота открытия-закрытия задвижки забоя скважины. Кроме того, бурение скважины в J0 регулирования потока жидкости должна быть кратна времени движения "лба" пласт осуществляют в зоне нетронутоударной волны до забоя скважины и го массива через вмещающие породы обратно, т.е. должна соответствовать с заданным оптимальным углом наклона, величине n'2t D , где п - показатель а забои скважины отделен от трубопровода гибкой эластичной оболочкой, 1 5 кратности. которая позволяет нагнетать жидкость Для повышения эффективности гидв пласт в стационарном режиме. Причем рообработки горного массива с испольоболочка имеет запас свободного пезованием энергии волн гидравлического ремещения не меньше амплитуды переудара следует, как известно, избемещения полного гидравлического уда- 20 гать изгибов в направлении движения ра, воздействующего на пласт через и существенных изменений D сечении скважину. потока жидкости, поскольку последние При рассмотрении механизма дейстявляются своеобразными демпферами, вия гидравлического удара па горный гасящими энергию волн. Поэтому сква25 жины для нагнетания жидкости соорумассив следует отметить, что как только "лоб" полны доходит до забоя жают таким образом, чтобы их диаметр скважины, в этом месте образуется и максимально приближался к внутренненачинает двигаться в противоположную му диаметру подающего жидкость трусторону отраженная отрицательная бопровода и располагают их (трубо30 провод от задвижки до забоя и скваволна, и затем процесс повторяется. То -есть у свободного конца скважины жину для нагнетания) по возможности (у забоя) зарождается отраженная на одной прямой линии. волна обратного знака, а у закрытого При этом амплитуда давления волны (у задвижки) зарождаются отраженные гидроудара 0\,о) не должна превышать оа волны того же знака, что и прямые 35 статического давления нагнетания волны, подошедшие к этому концу (Р с Т ) жидкости в пласт скважины. (3) Бремя прохождения волны от задвижки до забоя равно 40 В случае невыполнения условия (3) абсолютное давление у задвижки падает практически до нуля, "жидкая колонна" отрывается от задвижки, возникает кавитация и образуется парогде 1>т и )J(. - соответственно длина трубопровода от чадвиж-д5 в а я каверна. Это, в свою очередь, нарушает периодичность процесса, и ки до скважины и длина характер изменения давления станоскважины; вится самозатухающим. скорость движения ударс Важным моментом в механизме гидной волны; 2t_ - фаза гидравлического равлического удара, который может в 50 значительной степени влиять на эфудара. фек'тивность гидрообработки, является длительность перекрытия потока жидПолный период колебания давления кости. Если время полного перекрытия в любой точке скважины равен четырехкратному времени пробега "лбом" волны 55 (открытия) потока жидкости задвижкой расстояния L T + L c : обозначить t ч к то длина нарастания а полного удара равна 1 п е р - с2t o возникает непрямой гидравлический удар, при котором ударная волна, отразившись от забоя, возвращается к задвижке раньше, чем она будет полностью закрыта. При -этом амплитуда волны гидроудара станоиится значительно меньше, чем при прямом ударе за счет дифракции волн. Следовательно, при использовании на практике эффекта гидравлического CTua £ С? пр (6) 15 удара для повышения эффективности Напряжение в породной пробке можгидровоздействия целесообразно, чтоно определить по формуле: бы время перекрытия-открытия потока жидкости (время срабатывания задвижки управления потоком) не превышало фазы гидравлического удара. 20 где Р, - давление волны гидравли Известно, что в особо выбросоческого удара, опасных зонах бурение скважин в пласт не всегда безопасно. Это необходимо (8) = р vc учитывать при ведении горных работ. 25 При обработке особо опасных массивов плотность нагнетаемой жидгде (с точки зрения развязывания газодикости і намических явлений) воздействие на скорость нагнетания жидпризабойную часть пласта в зоне влиякости в статическом режиме; ния забоя осуществляют через вмещаюс - скорость волны гидравлищие пласт породы. Однако бурение ЗО ческого удара; скважин для воздействия на пласт х0 - радиус нагнетательной через вмещающие породы следует осускважины; ществлять с учетом основных парамет- давление статического нагров их заложения. Эти параметры оканетания жидкости. зывают значительное влияние на эф35 Подставляя (8) в (7), получим выфективность и безопасность выполнения ражение для 1 в виде работ. •га Угольный пласт в призабойной области имеет разупрочненную перемятую зону глубиной о, и зону нетронутого мас-40 сива на некотором расстоянии b от забоя (см. фи г. 2) .При сооружении скважины для гидрообработки пласта с целью повышения надежности герметизации для безопасности сооружения скважины и 45 выполнения работ по гидрообработке пласта скважину бурят в пласт из забоя выработки через вмещающее поооды. Причем важно» стобы скважина вошла в угольный пласт в зоне нетронутого массива. 50 Параметры" заложения этой скважины ограничиваются возможностью прорыва пробки вмещающих пород в перемятую угольную зону пласта волной гидро55 удара. Исходя из изложенного, оптимальный угол наклона заложения сква-. жкны равен 1 оС = arctg - — у Ь— а (5) С учетом выражения (9) оптимальный угол наклона скважин определяется выражением В случае подачи в забой скважины абразивных средств, например корундо вого порошка или песка, при ударных воздействиях потока жидкости на уголь значительно интенсифицируется диспергирование и разрушение массива С целью повышения эффективности применения предлагаемого способа, а также для снижения абразивного износа трубопроводов, средств герметизации и насосных устройств забой масси ва в скважине следует отделять от трубопровода гибкой эластичной оболочкой, например, из резины, которая с минимальными потерями передает энергию потока жидкости при гидроуда- _ ре на жидкость, находящуюся в забое скважины под давлением статического нагнетания. Оболочка-клапан предохраняет отток жидкости из 'забоя скважины. Оболочка должна иметь позможю ность пропускать жидкость в забой скважины в статическом режиме, для чего в ней должен быть предусмотрен клапан в виде велосипедного ниппеля. Кроме того, оболочка-клапан должна 15 иметь запас снободного хода не меньше амплитуды полного перемещения потока жидкости в скважине при гидравлическом ударе. Стационарная скорость и давление 20 потока нагнетаемой жидкости находятся в зависимости от сечения трубопровода и расхода жидкости, т.е. от расчетных характеристик насосной установки (производительности насос- № ной установки и максимального давления жидкости). Для определения амплитуды волны гидравлического удара, необходимой для образования трещин в обрабатываемом горном массиве,исполь- 30 зуют механизм циклового усталостного разрушения. Известно, что при заданных параметрах импульсов напряжений, создаваемых волнами гидравлических ударов, : < .происходит развитие системы трещин, по которым движется газ и жидкость. Эти импульсы напряжений приводят к прорастанию трещин-каналов, в основном, в двух плоскостях. Основное рас- до крытие существующих и образование новых трещин происходит в виде концентрических магистральных трещин вокруг скважины и радиальных микротре8цин. Они способствуют более равномер- 45 ной и устойчивой во времени гидрообработке угольного массива. Развитие Трещины зависит от количества циклов пульсаций (N), свойств горного массива и величин напряжений, созда- еп ваемых горным давлением и волной гидроудара (б). При удлинении трещин от 1„ до 1 N равно N = 5S Ы 2(1 оГ-3 1° г д е R = (11) P Р G = Рст + Р ^ ; Р и Р, „ - статическое и гидрост 44 00 ударное давления нагнетания жидкости; К - коэффициент интенсивности напряжений, определяемый по соотношениям Гри&фитса, Е - модуль упругости угля J Y - поверхностная эффективная энергия разрушения угля^ ( V - коэффициент Пуассона; С и о б ~ постоянные малоцикловой усталости. Используя зависимость (11), можно произвести численный расчет параметров гидравлического удара и времени гидрообработки, необходимых для развития трещин в массиве заданных размеров, а затем перевести полученные величины в параметры нагнетания жидкости, т.е. определить численные значения характеристик начальной скорости потока и давления нагнетания жидкости, необходимых для создания амплитуды волны гидравлического удара, действующей на массив и достаточной для образования трещин. Таким образом, время генерирования гидроударных волн в массиве равно t = N/(0 (гдеСО - частота следования гидроударов в столбе жидкости). I Способ осуществляется следующим образом. Из забоя очистной или подготовительной выработки через вмещающие породы в угольный пласт бурят скважину, которая внедряется в уголь в зоне нетронутого массива под углом к плоскости пласта, определяемым по формуле (10). Б забой скважины подают абразивные вещества, например песок. Скважину герметизируют, под-1 ключают к высоконапорной насосной установке и создают в столбе жидкости давление статического нагнетания. Перекрывают забой скважины 10 1479679 Статическое нагнетание жидкости по резиновой обопочкой с ниппелем. Заскважине в пласт осуществляют при тем с помощью специальной задвижки, давлении 11,5 ИГТа, Время перекрытия которую устанавливают между насосной (срабатывания) задвижки, определенустановкой и забоем, осуществляют ное по Формуле ( 4 ) t не должно превыпериодическое полное перекрытие-отшать крытие потока жидкости, нагнетаемой в скважину. Устанавливают частоту 1 1 < 2 t 0 = 5-10~^с- . перекрытия потока жидкости, которая L соответствует времени, кратному п е 10 Частота перекрытия-открытия поториоду отражения повторной волны ка нагнетаемой в пласт жидкости гидравлического удара. Это время должна быть кратна 1 0 " с' . Исходя можно установить по формулам (1) и из этого, частоту принимают равной ( 2 ) . Время полного перекрытия или от1 крытия потока жидкости задвижкой 15 0,5 с" . должно быть меньше фазы гидравличесФ о р м у л а и з о б р е т е н и я кого удара. При подаче в пласт через каждую скважину расчетного количест1. Способ гидравлического воздейва жидкости нагнетание прекращают, гидрозатворы извлекают из скважины 20 ствия на м а с с и в , включающий бурение скважин, их герметизацию, нагнетание и производят контроль за эффективв скважины по трубопроводу с задвижностью применения способа, например, кой жидкости и генерирование в столбе по динамике газовыделения или м е т о жидкости гидроударных волн, о т л и дом ядерно-магнитного резонанса. 25 ч а ю щ и й с я тем, что, с целью П р и м е р . Предлагаемый способ повышения глубины и равномерности выполняют в пластовой подготовительгидрообработки путем интенсификации ной выработке по выбросооласному процесса гидроударного роста глубоугольному пласту. Угол падения пласких магистральных трещин в массиве, та 60 , мощность пласта 0» 6 м, газоэ 30 трубопровод с задвижкой устанавливаобильность 25 м / т . Насосную устают соосно скважине, подают на забой новку для нагнетания жидкости устаабразивные вещества, а генерирование навливают на расстоянии 60 м от гидроударных волн осуществляют путем забоя, задвижку для перекрытия потопериодической полной остановки потока ка нагнетаемой в пласт жидкости - в 15 м от насосной установки, тогца 35 нагнетаемой жидкости задвижкой, при этом период перекрытия потока ж и д к о с расстояние от задвижки до забоя выти принимают кратным периоду о б р а работки равно 45 м. зования повторной отраженной г и д Из забоя выработки через вмещаюроударной волны, а продолжительность щие породы бурят скважину диаметром 40 срабатывания задвижки - не превышаю45 мм. По данным натурных измерений, щей Лазы гидравлического удара в выполненных нормативным методом, глубистолбе жидкости. на зоны нетронутого массива для в ы б р о соопасных пластов мощностью 0,5-0,3 м 2. Способ по п . 1 , о т л и ч а ю на глубине 800-900 м в среднем сосщ и й с я тем, что производят р е тавляет 6-8 м. Поэтому скважину оригулирование амплитуды гидроударных ентируют таким образом, чтобы она волн путем изменения скорости потока внедрялась в уголь на расстоянии от и давления нагнетаемой жидкости и забоя 7 м. Угол наклона скважины к определяют время генерирования гидроплоскости пласта, определенный по ударных волн из математического вы50 ражения формуле ( 1 0 ) , составляет оі = 60 . Длина скважины до забоя пги этом будет равна 8 м. Герметизируют скважиt - —г^ну, например, с помощью гидрозатвора ГАС-45, на выходе которого устанавI2 1 ливают резиновую оболочку с ниппель- 55 "ТСТГ-7Г ным клапаном в сторону забоя скважины. В забой за резиновую оболочку 1 клапана помещают W-50 г песчинок. -ЇІГГ п 1479679 где (о- частота следования*ударных волн в сголбе жидкости, І2 угол наклона скважины к оси пласта ні выражения R = oi = arctg v 1 + р ст r ,(Ъ-. vc + Рст где г о i статическое давление нагнетания жидкости р массивJ" Рид - амплитуда гидроугарной волны; С пні- постоянные малоцикловой усталости угля; К , коэффициент интенсивности напряжений, определяемый по соотношениям ГрифАитса ст N - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости угля; j[k- поверхностная (эффективная) энергия разрушения угля. 10 15 20 3. Способ по пп.1 и 2, о т л и25 ч а ю щ и й с я тем, что скважины для гидравлического воздействия бурят через вмещающие породы, при этом внедрение скважины в пласт осуществляют в зоне нетронутого мас- 30 сива не далее средины зоны воздействия, при этом определяют оптимальный - радиус скважины для нагнетания жидкости; G* - предел прочности вмещающих пород; о - плотность нагнетаемой ' жидкости; v - скорость движения жидкости і в скважине в статическом режиме; с - скорость распространения волны гидроудара; Р с т - давление статического нагнетания жидкости; Ь глубина зоны нетронутого угольного массива; а - глубина зоны перемятого разупрочненного угля. 4. Способ по пп,1-3, о т л и ч аю щ и и с я тем, что забой скважины " отделяют от трубопровода, подающего жидкость в пласт, гибкой эластичной оболочкой с запасом перемещения, не меньшим амплитуды гидроударных волн, причем жидкость свободно пропускают через оболочку при статическом режиме нагнетания. tn= tpue.i фил 2 Редактор И.Рыбченко Составитель И.Федяева Техред А.Кравчук Корректор С.Шекмар Заказ 2519/34 Тираж 411 Подписное ВНИИГШ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ GCCP 113035, Москва, Ж-35, ї'аушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101