Двухпакерный зонд для определения компонент напряжений в массиве горных пород

УДК 622.02:531 Е.В. Рубцова

ИГД СО РАН, Новосибирск

ДВУХПАКЕРНЫЙ ЗОНД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТ НАПРЯЖЕНИЙ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД

E.V. Rubtsova

Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences Krasniy prospect 54, Novosibirsk, 630091, Russian Federation

TWO-PACKER ROCK STRESS PROBE

The author analyzes a new design of two-packer probe included into the measurement-calculation system “Gidrorazryv” intended for the determination of stresses in a rock mass by pilot hydraulic fracturing. The new design improves the probe operation safety and reduces the time of its installation in bore-holes.

Одним из методов экспериментального определения компонент напряжений в массиве горных пород является метод измерительного гидроразрыва. Техника метода заключается в том, что исследуемый участок скважины герметизируется с помощью двухпакерного зонда и подвергается нагружению путем нагнетания флюида в межпакерное пространство до достижения критических растягивающих напряжений на стенке скважины, приводящих к разрыву пород [1]. При этом управляя режимом нагнетания, а также осуществляя повторные нагружения исследуемого участка скважины, можно выделить на диаграммах «давление-время» характерные значения (давление разрыва пород при первом нагружении, давление раскрытия трещины при повторных нагружениях, давление «запирания»), которые затем интерпретируются в терминах напряжений, действующих в породном массиве.

Описанный метод положен в основу разработанного в ИГД СО РАН измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) «Гидроразрыв», который в настоящее время используется на ряде предприятий при изучении полей напряжений в массиве горных пород. В состав ИВК «Гидроразрыв» (рис. 1) входят: двухпакерный зонд, датчик давления, устройство преобразования и передачи данных, портативный компьютер, ручной насос, адаптер, манометр, кран одноходовой, кран многоходовой, напорные трубопроводы (гибкие и жесткий).

При проведении шахтных экспериментов с использованием ИВК «Гидроразрыв» расстояние установки двухпакерного зонда от устья скважины составляет от 15 до 60 м, при этом, как правило, для обследования массива на различной глубине гидроразрыв выполняется в нескольких пунктах по длине скважины. Кроме этого, для определения всех компонент исходного поля напряжений измерения проводят в нескольких разноориентированных скважинах. В связи с этим совершенствование

конструкции зонда с целью упрощения его монтажа и демонтажа в скважине является актуальной задачей.

Рис. 1. Измерительно-вычислительный комплекс «Гидроразрыв»

Конструкция входящего в состав ИВК «Гидроразрыв» двухпакерного зонда предполагает использование двух напорных трубопроводов, один из которых используется для осуществления пакеровки исследуемого участка скважины, другой - для нагнетания жидкости в межпакерное пространство. Наличие двух подводящих трубопроводов утяжеляет устройство, требует значительных затрат времени на его монтаж в скважине, кроме того, незначительная разгерметизация любого трубопровода снижает надежность работы комплекса в целом.

С целью устранения перечисленных недостатков к настоящему времени разработана и защищена патентом новая конструкция двухпакерного зонда, которая позволяет использовать для подвода жидкости в каналы зонда только один подводящий трубопровод, при этом обеспечивается возможность многократно выполнять циклы нагнетания жидкости в межпакерное пространство для выполнения измерительного гидроразрыва [2].

Двухпакерный зонд (рис. 2, а) включает в себя цилиндрический корпус 1, установленные на его концах уплотнительные элементы 2, механизм сжатия последних в виде поршневой пары 3 с отверстием 4 в цилиндре, рукоятку 5 управления с эксцентриком 6. Внутри корпуса выполнены канал 7, соединенный с рабочей камерой поршневой пары, и канал 8, соединенный с отверстием в цилиндре поршневой пары. В корпусе со стороны торца (рис. 1, б) установлены соосно два обратных клапана 9 и 10. Клапан 9 прижат к седлу 11 пружиной 12, а клапан 10, выполненный в виде золотника, прижат к седлу 13 пружиной 14. Хвостовик 15 клапана 10 выступает из корпуса и оперт на эксцентрик рукоятки управления. С противоположной стороны клапан 10 имеет толкатель 16 зауженной формы, установленный с возможностью

взаимодействия с клапаном 9. Гнездо 17 для подвода жидкости соединено каналом 18 с межклапанной полостью 19. Заклапанная полость 20 клапана 9 соединена каналом 7 с рабочей камерой поршневой пары, а заклапанная полость 21 клапана 10 - с каналом 8, соединенным с отверстием в цилиндре поршневой пары.

а)

Рис. 2. Конструкция двухпакерного зонда

Работа зонда осуществляется следующим образом. Зонд с подсоединенным к гнезду 17 (рис. 2, б) подводящим трубопроводом устанавливают в скважине на выбранной глубине, при этом рукоятка 5 управления находится в позиции I, после чего включают насос и нагнетают жидкость. Жидкость по каналу 18 поступает в межклапанную полость 19, проходит через клапан 9 и канал 7 в рабочую камеру поршневой пары 3, которая, раздвигаясь, сжимает уплотнительные элементы 2. Последние, расширяясь в радиальном направлении, соприкасаются со стенками скважины и герметизируют (пакеруют) исследуемый участок скважины. При этом клапан 10 закрыт и не позволяет жидкости поступать в заклапанную полость 21.

После герметизации исследуемого участка скважины давление в насосе сбрасывают до атмосферного, что приводит к закрытию клапана 9, и перемещают рукоятку 5 управления в позицию II. При этом клапан 10 перемещается внутрь корпуса, не доходя толкателем 16 до клапана 9, поэтому последний остается закрытым и удерживает жидкость под давлением в рабочей камере поршневой пары. После очередного включения насоса жидкость через открытый клапан 10 поступает в его заклапанную полость 21 и далее по каналу 8 в исследуемый участок скважины.

Предложенная конструкция зонда позволяет после пакеровки многократно изменять давление жидкости в исследуемом участке скважины для выполнения необходимого количества повторных раскрытий трещины. Величину давления в процессе нагружения и разрушения стенок исследуемого участка скважины регистрируют для определения компонент напряжений, действующих в породном массиве. По окончании экспериментов давление в насосе сбрасывают до атмосферного и устанавливают рукоятку 5 управления в положение III. В таком положении эксцентрик подвигает хвостовик 15 внутрь корпуса и толкатель 16 открывает клапан 9, позволяя жидкости из рабочей камеры поршневой пары пройти на слив. При этом поршневая пара и уплотнительные элементы возвращаются в свое исходное положение, что позволяет перемещать двухпакерный зонд или извлекать его из скважины.

Использование новой конструкции двухпакерного зонда с одним подводящим трубопроводом позволит существенно упростить его монтаж в скважине, сократит время монтажа и повысит надежность работы устройства в целом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Леонтьев А.В., Попов С.Н. Опыт практического применения измерительного гидроразрыва // Горный журнал. - 2003. - № 3.

2. Патент № 2320870 РФ. Устройство для гидроразрыва пород в скважине / Леонтьев А.В., Леконцев Ю.М., Рубцова Е.В. // Опубл. в Б.И., 2008, № 9.

© Е.В. Рубцова, 2009