СПОСОБ ОРИЕНТИРОВАННОГО ГИДРОРАЗРЫВА ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR ORIENTED HYDRAULIC FRACTURING OF ROCKS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для формирования в породных массивах сплошных трещин нужных размеров и формы, обеспечивающих изменение напряженно-деформированного состояния и проницаемости горных пород, повышающих эффективность скважинно-щелевых технологий добычи полезных ископаемых.
Известен способ гидравлического разрыва пласта по патенту РФ №2164290, кл. Е21В 43/26, опубл. в БИ №8, 2001 г., включающий закачку жидкости разрыва при забойном давлении выше давления разрыва пласта и создание трещины заданного размера, снижение забойного давления ниже давления разрыва пласта, закачку суспензии с закрепляющим материалом и закачку продавочной жидкости с темпом, обеспечивающим подъем забойного давления выше давления разрыва пласта. Жидкость разрыва закачивают в объеме, обеспечивающем создание трещины длиной, превышающей радиус прискважинной зоны пласта сниженной проницаемости. При этом используют суспензию с закрепляющим материалом в виде геля и закачивают ее в объеме, большем объема созданной трещины.
В этом способе необходим относительно большой расход продавочной жидкости (для подачи закрепляющего материала на значительное расстояние от скважины). Продавочная жидкость движется по пути наименьшего сопротивления преимущественно в виде рукавов и поэтому закрепляющий материал в обрабатываемой области распределяется неравномерно. Сплошной трещины, как правило, не образуется. Процесс формирования трещины практически неуправляем. Поэтому способ обладает низкой эффективностью.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ ориентированного разрыва горных пород по авторскому свидетельству СССР №1535992, кл. Е21В 43/26, Е21С 41/18, опубл. в БИ №2, 1990 г. Он включает бурение инициирующих скважин в направлении распространения трещин, создание в скважинах инициирующих полостей, герметизацию этих полостей и формирование трещины гидроразрыва пород нагнетанием в них жидкости. Бурят дополнительные скважины в пределах расположения проектируемой трещины гидроразрыва на расстоянии от предыдущей скважины, определяемом из найденного выражения. Дополнительные скважины герметизируют до проектируемой трещины гидроразрыва и нагнетают в них жидкость под давлением ниже давления гидроразрыва. Затем после образования трещины гидроразрыва в инициирующей скважине ее прохождение в дополнительной скважине фиксируют по изменению давления жидкости в этой скважине, после чего формируют трещину гидроразрыва в дополнительной скважине увеличением давления жидкости в ней до давления гидроразрыва.
Способ не предусматривает возможность искривления поверхностей трещин для удержания в заданной области растворов, используемых, например, для выщелачивания меди. Поэтому его использование для скважинно-щелевых технологий добычи полезных ископаемых неэффективно.
Известно устройство для разрушения горных пород гидроразрывом по патенту РФ №2209970, кл. Е21С 37/10, опубл. в БИ №22, 2003 г., включающее полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями и самоуплотняющиеся манжеты, закрепленные на противоположных концах корпуса. На самоуплотняющиеся манжеты надета трубка из эластичного материала, образующая с ними и полым цилиндрическим корпусом замкнутую полость. Полый цилиндрический корпус на одном конце имеет кольцевой выступ, а его противоположный конец связан с трубой для подачи жидкости, имеющей также кольцевой выступ, а самоуплотняющиеся манжеты основаниями примыкают соответственно к кольцевым выступам корпуса и трубы.
С помощью этого устройства при одноразовой его подаче в скважину можно создавать только одну трещину, что обуславливает относительно низкую его эффективность.
В качестве прототипа выбрано устройство для разрушения горных пород гидроразрывом по патенту РФ №2253013, кл. Е21С 37/06, Е21В 43/26, опубл. в БИ №15, 2005 г., включающее полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями и кольцевыми выступами на концах, самоуплотняющиеся манжеты, закрепленные на противоположных концах корпуса и примыкающие основаниями к его кольцевым выступам. На кольцевые выступы корпуса надеты стаканы с центральными отверстиями в основании. Внутри стаканов между их дном и корпусом установлены пружины, а через стаканы и корпус пропущена трубка с возможностью продольного перемещения относительно корпуса, имеющая радиальные отверстия, кольцевой выступ на одном конце и внешнюю резьбу на другом конце. Трубка герметизирована со стороны кольцевого выступа, ее радиальные отверстия находятся в зоне радиальных отверстий корпуса, один стакан основанием уперт в кольцевой выступ трубки, а другой стакан связан с трубкой резьбовым соединением.
Это устройство имеет сравнительно сложную конструкцию. При перемещении по скважине самоуплотняющиеся манжеты контактируют с горной породой и поэтому истираются, что существенно уменьшает срок безремонтной работы. Это обуславливает его относительно низкую эффективность.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности ориентированного гидроразрыва горных пород за счет создания в породном массиве непроницаемой для жидкостей прослойки с искривленными поверхностями и надежности работы устройства за счет упрощения его конструкции и автоматической герметизации скважины без использования манжет, истирающихся о горную породу.
Задача решается тем, что в способе ориентированного гидроразрыва горных пород, включающем бурение инициирующих скважин, создание в них инициирующих полостей, герметизацию этих полостей и формирование трещины гидроразрыва горных пород нагнетанием в них жидкости, согласно изобретению вначале формируют первую трещину, сплошную горизонтальную, а затем под ней формируют вторую трещину, сплошную горизонтальную, которую затем развивают до выхода ее поверхностей на нижнюю поверхность первой трещины, после этого вторую трещину заполняют гидроизоляционным материалом.
Способ основан на результатах исследований взаимодействия сближенных параллельных сплошных трещин, создаваемых последовательно. Появление первой сплошной трещины создает во вмещающей ее среде поле напряжений, ориентированных в основном нормально к плоскости, в которой ее формируют. Объясняется это тем, что возможность взаимного смещения поверхностей трещины многократно снижает касательные к ним составляющие поля напряжений. При этом, если в зоне влияния первой трещины начать создавать вторую, параллельную ей сплошную трещину, то фронт второй трещины будет стремиться двигаться в направлении максимального значения сжимающего поля напряжений, т.е. в направлении поверхностей первой трещины. В результате вторая трещина сольется с первой трещиной, а ее поверхности приобретут форму тарелки. Такой характер развития двух сближенных сплошных трещин, создаваемых последовательно и параллельно друг другу, согласуется с известными положениями механики горных пород и подтвержден на физических моделях. Заполнение второй трещины гидроизоляционным материалом приводит к появлению непроницаемой для жидкости емкости в виде тарелки, внедренной в породный массив и ориентированной своим дном в сторону первой сплошной горизонтальной трещины. Фильтрация в породный массив поданного в такую емкость раствора, например, с целью выщелачивания меди, исключается. Поэтому использование предлагаемого способа в скважинно-щелевых технологиях добычи полезных ископаемых снижает потери, обусловленные фильтрацией в массив применяемых жидких реагентов. В результате повышается эффективность ориентированного гидроразрыва горных пород за счет создания в породном массиве непроницаемой для жидкостей прослойки с искривленными поверхностями.
Целесообразно первую трещину формировать жидкостью с минимальным трением о горную породу и высоким сопротивлением изменению своей формы. За счет минимального трения о горную породу касательные напряжения в первой трещине приближаются к нулевому значению. В этом случае горная порода вблизи первой трещины испытывает практически вертикальное одноосное сжатие, способствующее в дальнейшем искривлению поверхностей второй трещины в требуемом направлении (в направлении первой трещины). В качестве жидкостей с высоким сопротивлением изменению своей формы можно использовать неньютоновские жидкости (пластичные вещества). Они отличаются от обычной жидкости (например, воды) способностью формировать симметричные относительно места нагнетания жидкости сплошные трещины даже при сравнительно малых расходах. Поэтому их использование повышает технологичность и, следовательно, эффективность ориентированного гидроразрыва горных пород.
Целесообразно до формирования второй трещины под первой трещиной сформировать дополнительные трещины, выходящие на ее нижнюю поверхность. Дополнительные трещины дезинтегрируют горную породу, делают ее проницаемой для рабочих растворов, что сокращает время технологических циклов, например, в технологиях выщелачивания медных руд. Кроме этого, дополнительные трещины увеличивают область изменения поля напряжений, способствующих выходу поверхностей второй трещины на нижнюю поверхность первой трещины. Благодаря этому образуемую второй трещиной форму тарелки можно делать более глубокой, что увеличивает возможности ориентированного гидроразрыва горной породы, а следовательно, и повышает его эффективность.
Задача также решается тем, что в устройстве для ориентированного гидроразрыва горных пород, включающем полый цилиндрический корпус с радиальными отверстиями, согласно изобретению на концах корпуса установлены шланги, на корпус надета втулка из эластичного материала с радиальными отверстиями, при этом радиальные отверстия на корпусе и эластичной втулке не совпадают, а на свободном от корпуса конце нижнего шланга установлена заглушка.
Такое изобретение позволяет в качестве герметизирующих элементов использовать серийно выпускаемые высоконапорные шланги. Поэтому изготовление устройства, в основном, сводится к выполнению корпуса в виде трубки с радиальными отверстиями и надетой на корпус эластичной трубки так же с радиальными отверстиями. Несовпадение радиальных отверстий на корпусе и эластичной трубке создает сопротивление для жидкости при ее выходе из устройства, от чего давление внутри устройства оказывается всегда большим давления между шлангами (в зоне разрыва). За счет этого необходимое для надежной герметизации скважины давление внутри устройства поддерживается автоматически независимо от давления гидроразрыва горной породы. В результате повышается надежность работы за счет упрощения его конструкции и автоматической герметизации скважины без использования манжет, истирающихся о горную породу.
Сущность изобретения поясняется примером реализации способа, конкретным исполнением устройства и чертежами.
На фиг.1 показана схема ориентированного гидроразрыва горных пород; на фиг.2 - устройство для ориентированного гидроразрыва горных пород, общий вид, продольный разрез.
Способ ориентированного гидроразрыва горных пород реализуют с помощью устройства того же назначения следующим образом.
В породном массиве (фиг.1) бурят вертикальные инициирующие скважины 1 и 2 (далее - скважины 1 и 2). В скважине 1 (фиг.2) создают инициирующую полость 3 (далее - полость 3) в плоскости 4 предполагаемого разрыва горной породы. Затем в скважину 1 подают устройство, включающее полый цилиндрический корпус 5 с радиальными отверстиями 6 (далее - отверстия 6). На концах корпуса 5 установлены шланги 7 и 8. На корпус 5 надета втулка 9 из эластичного материала (далее - втулка 9) с радиальными отверстиями 10 (далее - отверстия 10). Отверстия 6 и 10 не совпадают. На свободном от корпуса 5 конце нижнего шланга 8 установлена заглушка 11. На концах шлангов 7 и 8 установлены переходники 12 для их подсоединения к корпусу 5, гидравлической системе (на фиг.2 гидравлическая система с подсоединенным к ней переходником 12 не показаны) и заглушке 11. Устройство устанавливают таким образом, чтобы шланги 7 и 8 оказывались по обе стороны полости 3. Через шланг 7 от гидравлической системы в устройство подают жидкость, которая придавливает боковые поверхности шлангов 7 и 8 к стенкам скважины 1 и тем самым герметизирует ее. Затем жидкость, преодолевая сопротивление, обусловленное ее продавливанием между корпусом 5 и втулкой 9, через отверстия 6 и 10 поступает в полость 3. Когда давление жидкости достигает предела прочности горной породы на растяжение, возникает (фиг.1) и развивается первая трещина 13, сплошная горизонтальная (далее - трещина 13). Трещину 13 формируют до нужных размеров жидкостью 14 с минимальным трением о горную породу и высоким сопротивлением изменению своей формы (далее - жидкость 14). Ниже трещины 13 формируют дополнительные трещины 15 (далее - трещины 15), которые выходят на нижнюю поверхность трещины 13. Затем под трещинами 13 и 15 формируют вторую трещину 16, сплошную горизонтальную (далее - трещина 16), которую развивают до выхода ее поверхностей на нижнюю поверхность трещины 13. Трещину 16 заполняют гидроизоляционным материалом 17. Скважину 2 используют как дополнительную технологическую скважину, через которую так же можно нагнетать жидкость при формировании трещин 13, 15, 16 и далее для технологических операций, например, при выщелачивании меди.
В качестве жидкости 14 предполагается использовать водный раствор глины с добавлением щелочи для снижения трения о поверхности трещины 13. Процентное содержание глины в растворе подбирают экспериментально в зависимости от условий проведения гидроразрыва и исходя из двух требований. Во-первых, чтобы жидкость 14 продавливалась через гидравлическую систему ее нагнетания имеющимися техническими средствами и создавала необходимое давление для формирования трещины 13. Во-вторых, чтобы в трещине 13 возникал градиент давления, достаточный для ее раскрытии по всей поверхности и симметричности относительно скважины 1.
В качестве гидроизоляционного материала 17 можно использовать смесь, например, эпоксидной смолы, отвердителя и пластификатора, образующую в породном массиве при твердении непроницаемую для жидкости эластичную прослойку, в которой не возникают трещины (как в хрупком материале) в процессе выполнения дальнейших технологических операций.