Устройство для формирования поперечных трещин в шахтных условиях

УДК 539.421

А.В. Патутин, Л.А. Рыбалкин, Т.В. Шилова, С.В. Сердюков

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ ТРЕЩИН В ШАХТНЫХ

УСЛОВИЯХ*

Для оценки действующих в массиве напряжений используются различные способы. Наиболее распространенным из них является метод гидроразрыва пласта, который широко применяется при проведении исследований в шахтных условиях. В результате интерпретации и обработки данных, регистрируемых в ходе закачки рабочей жидкости под давлением в изолированный интервал скважины, определяют значения минимального и максимального напряжений. Рассмотрена схема устройства, с помощью которого создается трещина разрыва, направленная поперек оси скважины. Устройство состоит из составного герметизирующего элемента нажимного типа и механического якоря. Раскрытие и закрепление якоря, который может быть выполнен в виде анкера, либо тарельчатой пружины, создает дополнительное касательное нагружение в окрестности стенок скважины в интервале разрыва. Испытания анкера с кольцевым выступом, проведенные на блоке оргстекла, показывают, что при его вдавливании образуется область разрушения материала. Применение данного устройства позволит создавать поперечную трещину в необсаженных скважинах без проведения дополнительной энергозатратной операции нарезки начальной трещины щелеобразователем.

Ключевые слова: гидроразрыв, поперечная трещина, скважинное устройство, касательная нагрузка.

Информация о напряжениях, действующих в массиве, имеет фундаментальную значимость для решения проблем, связанных с обеспечением безопасности и эффективности добычи полезных ископаемых и подземного строительства [1—3]. Проявления горного давления в ходе отработки пластов на большой глубине чаще всего происходят в виде внезапных выбросов и ударов, деформирования и пластичного течения пород. Подобные динамические и газодинамические явления приводят к тяжелым последствиям, в результате которых гибнут горняки, снижаются технико-экономические показатели работы угольных

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-3-0-75-81

и рудных шахт. На начало 2017 г. в государственном реестре опасных производственных объектов было зарегистрировано 97 шахт, из которых на шестидесяти идет добыча угля. На десяти из них разрабатываются пласты, опасные по горным ударам. Все без исключения шахты, кроме нескольких в Ростовской области, опасны по взрывчатости угольной пыли. Это показывает, что развитие методов оценки напряженного состояния горного массива является одной из важнейших и актуальных задач геомеханики.

Проведение скважинных испытаний обеспечивает получение данных о нап-

* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Новосибирской области РФ в рамках научного проекта № 17-45-540686 р_а.

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 3. С. 75-81. © А.В. Патутин, Л.А. Рыбалкин, Т.В. Шилова, С.В. Сердюков. 2018.

ряжениях для оптимизации системы разработки месторождений, корректного построения математических моделей, которые позволяют спрогнозировать развитие негативных событий. Полученные результаты применяют для диагностики и мониторинга изменений геомеханического состояния горных пород при отработке глубоких горизонтов со сложной горно-геологической обстановкой и высоким горным давлением.

В настоящий момент для определения действующих в массиве напряжений широко распространен метод гидравлического разрыва пласта (ГРП). На основе замеров давлений формирования, запирания и повторного раскрытия трещины разработана широко используемая технология определения напряженного состояния пород [4]. Развитие способа изначально было связано с интенсификацией добычи углеводородного сырья. В горном деле метод нашел свое применение для решения задач, связанных с повышением эффективности разработки месторождений полезных ископаемых. Формирование трещин определенной направленности в скважинах, пробуренных из подземных горных выработок, позволяет повысить газоотдачу пластов угля [5, 6], увеличить содержание метана в откачиваемом газе за счет создания противофильтрационных экранов, препятствующих подсосам шахтного воздуха [7]. При отработке угольных пластов длинными очистными забоями ГРП используется для управляемой посадки кровли с целью предотвращения ее зависания [8, 9].

Существующие методы измерения напряжений на основе гидроразрыва позволяют оценивать горные напряжения, действующие перпендикулярно оси наблюдательной скважины. Это связано с тем, что при нагружении интервала давлением трещина чаще всего формируется вдоль оси скважины, при этом опре-

делению подлежат напряжения, которые не дают трещине раскрыться. Использование различных модификаций метода ГРП, например, разрыва с помощью непроницаемой оболочки, не решают данную проблему. В конструкциях современных скважинных домкратов, применяемых для формирования направленных трещин, возможность создания поперечных трещин не реализована [10].

В вертикальных скважинах, пробуренных с дневной поверхности, оценку напряжений вдоль оси скважины выполняют с помощью приближенных расчетов веса вышележащих горных пород (горного давления), что может приводить к существенным ошибкам в тектонически активных районах со сложным геологическим строением и рельефом. В произвольно ориентированных скважинах, пробуренных из горных выработок, такой подход не применим. Для решения этой проблемы обычно бурят несколько разнонаправленных скважин, что при исследовании состояния породного массива вдали от горных выработок технически сложно и требует значительных финансовых затрат на выполнение ГРП. Пункты наблюдения при этом могут находиться на значительном удалении друг от друга в разных скважинах, что приводит к неоднозначности получаемых результатов измерений.

Известным способом гидроразрыва поперек скважины является использование инициирующей щели в плоскости требуемого направления развития трещины. Данный подход помимо собственно гидроразрыва требует проведения дополнительной операции по созданию щелевого инициатора специальным механическим или гидроструйным устройствами [11, 12]. Этот метод хорошо зарекомендовал себя в работах, связанных с контролируемым обрушением зависающей кровли, но является достаточно трудоемким. Альтернативные способы

заключаются в изменении поля напряжений вблизи скважины за счет использования специальных устройств в виде якорей или инденторов, позволяющих задать начальное направление распространения трещины [13]. В этом случае нет необходимости проводить сложные и энергозатратные операции нарезки щели, а время работ может быть снижено за счет комплексирования нескольких операций в одном устройстве.

Рассмотрим схему устройства формирования поперечных трещин, которая разрабатывалась на основе ранее полученных результатов по изучению влияния дополнительного касательного нагружения стенок скважины на траекторию развития разрыва [14, 15]. В устройстве реализована совместная работа механического анкера (якоря) и нажимного герметизатора (пакера); его общая схема и фотографии отдельных модулей приведены на рис. 1.

Якорный элемент 2 с заостренным внешним краем может быть выполнен из толстостенной трубы с последующей обработкой, либо на основе тарельчатой пружины. Малая площадь контакта яко-

ря с породой обеспечивает высокое локальное касательное нагружение стенок скважины вдоль ее оси. Конструкция устройства уменьшает вероятность продольного гидроразрыва, способствует образованию поперечной трещины. Составной герметизатор выполнен в виде двух жестких 3 и мягкой 4 резиновых секций, монтируемых одна в другую. Это позволяет за счет различия упругих свойств используемого материала надежно перекрыть интервал разрыва без возможности смещения устройства относительно оси скважины.

Анкерную часть устройства образуют силовая труба 9, гайка 8, труба 7, анкер 2 и упор 1. Анкер приводится в действие затягиванием гайки 8 по резьбе силовой трубы 9. При этом уменьшается расстояние между упором 1, установленным на трубе, и торцевым фланцем трубы 7. В результате анкер 2 раскрывается, и его внешний край, снабженный кольцевым выступом, вдавливается в стенки скважины.

Пакерную часть устройства образуют гайка 6, труба 5, герметизаторы различной жесткости 3, 4. Внешние герметиза-

Рис. 1. Общая схема скважинного устройства разрыва (а), фотографии составного герметизатора (б) и анкера (в): 1 — упор; 2 — анкер; 3 — жесткий герметизатор; 4 — мягкий герметизатор; 5 — труба пакера; 6 — гайка пакера; 7 — труба анкера; 8 — гайка анкера; 9 — силовая труба; 10 — входной коллектор

торы 3 выполнены из жесткой резины с конусной выемкой на одном из торцов; внутренний герметизатор 4 — из мягкой резины с конусными выступами на обоих торцах. Пакер приводится в действие затягиванием гайки 6 по внешней резьбе трубы 7. При этом герметизаторы 3 и 4 сжимаются по оси, увеличиваясь в диаметре, и перекрывают кольцевой зазор между трубой 5 и стенками скважины.

После установки и расклинивания устройства в скважине в силовую трубу 9 ввинчивают гидравлический коллектор 10, к которому подсоединяют рукав высокого давления для подачи рабочей жидкости. Для расширения функционала устройства реализована возможность замены данного коллектора на коллектор с несколькими входами, что позволит проводить разрыв многокомпонентными составами. Рабочая жидкость поступает в призабойный интервал гидроразрыва через центральный канал и кольцевой зазор между трубами 9 и 7. При достижении определенного давления происходит формирование поперечной трещины.

При выполнении операции гидроразрыва в шахтных условиях, регистрируется давление рабочей жидкости в зависимости от времени закачки и ее расход. Обработка полученных данных может проводиться с использованием стандартных методик. Направление развития трещины поперек оси скважины обеспечи-

вает измерение действующих в массиве напряжений вдоль оси скважины.

Для проверки работоспособности предложенной схемы были изготовлены отдельные модули устройства, в том числе, составной герметизатор и анкер (см. рис. 1 б, в). Испытания проводились в блоке оргстекла с высверленным отверстием диаметром 42 мм. В отверстие устанавливался анкер, который затем расклинивался за счет затягивания гайки. Кольцевой выступ, расположенный по внешнему краю анкера, вдавливался в стенку отверстия, формируя область разрушения материала, что подтверждено экспериментами (рис. 2). В случае пакеровки интервала, который содержит такую область, и подачи в него рабочей жидкости под давлением, распространение трещины будет происходить преимущественно поперек оси скважины.

Проверка качества изоляции составным герметизатором нажимного типа также происходила в блоке оргстекла. В просверленное до середины блока отверстие диаметром 42 мм устанавливалась до упора трубка, на которую были надеты герметизаторы из жесткой и мягкой резины с двумя широкими металлическими шайбами на концах. При затягивании гайки по нарезанной на трубке резьбе составной герметизатор расширялся до плотного соприкосновения со стенками отверстия. Масло под давлением подавалось через трубку в

Рис. 2. Вдавливание кольцевого выступа анкера в стенку отверстия, просверленного в блоке оргстекла

изолированный интервал. Практически полное отсутствие шероховатостей на внутренней поверхности отверстия приводило к выдавливанию из него герметизатора при достижении давления в системе 130—150 бар. В случае использования анкера для внедрения в материал и удерживания устройства в скважине такое поршневое перемещение вызывает дополнительную касательную нагрузку, которая приводит к формированию поперечной трещины.

Разработка скважинного устройства по предложенной схеме позволяет отказаться от дополнительных энергозатрат-

ных работ по нарезке инициирующей трещины. Использование якорных систем способствует возникновению растягивающих напряжений в интервале разрыва, что в конечном итоге создает условия для создания трещины в плоскости, перпендикулярной оси скважины. Лабораторные испытания отдельных элементов устройства показали перспективность предложенных решений в реализации поперечного гидроразрыва. Развитие технологии направленного ГРП расширяет возможности метода для измерения поля напряжений в горном массиве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шкуратник В.Л., Николенко П. В. Методы определения напряженно-деформированного состояния массива горных пород: научно-образовательный курс. — М.: МГГУ, 2012. — 112 с.

2. Кхан М. Ф. Х. Изменение напряженно-деформированного состояния газонасыщенного угольного пласта с глубиной разработки // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — № 6. — С. 183—184.

3. Асанов В. А., Токсаров В. Н., Самоделкина Н. А., Бельтюков Н.Л., Ударцев А. А. Оценка напряженно-деформированного состояния нетронутого массива на месторождении Жаман-Айбат // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. — 2014. — Т. 13. — № 12. — С. 56—66.

4. Kang H., ZhangX., Si L., Wu Y., Gao F. In-situ stress measurements and stress distribution characteristics in underground coal mines in China // Engineering Geology, 2010, Vol. 116, pp. 333—345.

5. Mills K., Jeffrey R., Black D., Meyer T., Carey K. Developing Methods for Placing Sand-Propped Hydraulic Fractures for Gas Drainage in the Bulli Seam / In Proceedings of the Coal Operators' Conference, Wollongong, 2006. — pp. 190—199.

6. Родин Р. И., Плаксин М. С. Особенности повышения газопроницаемости угольных пластов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. — 2016. — № 1. — С. 42—48.

7. Курленя М. В., Сердюков С. В., Шилова Т. В., Патутин А. В. Методические основы и технические средства герметизации дегазационных скважин методом барьерного экранирования // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2014. — № 5. — С. 203—210.

8. Леконцев Ю. М., Сажин П. В. Технология направленного гидроразрыва пород для управления труднообрушающимися кровлями в очистных забоях и дегазации угольных пластов // ФТПРПИ. — 2014. — № 5. — С. 137—142.

9. Huang B., Yu B., Feng F., Li Z., WangY., Liu J. Field investigation into directional hydraulic fracturing for hard roof in Tashan Coal Mine // Journal of Coal Science and Engineering, 2013, Vol. 19, no 2, pp. 153—159.

10. Yokoyama T., Sano O., Hirata A., Ogawa K., Nakayama Y., Ishida T., Mizuta Y. Development of borehole-jack fracturing technique for in situ stress measurement // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2014, Vol. 67, pp. 9—19.

11. Liu Y., Xia B., Liu X. A novel method of orienting hydraulic fractures in coal mines and its mechanism of intensified conduction // Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2015, Vol. 27, pp. 190—199.

12. Леконцев Ю. М., Патутин А. В., Сажин П. В., Темиряева О. А. Комбинированное устройство для проведения направленного гидроразрыва // ФТПРПИ. — 2016. — № 3. — С. 90—94.

13. Шилова Т.В., Сердюков С.В. Защита действующих дегазационных скважин от поступления воздуха из горных выработок // ФТПРПИ. — 2015. — № 5. — С. 179—186.

14. Сердюков С. В., Курленя М. В., Патутин А. В., Рыбалкин Л.А., Шилова Т. В. Экспериментальная проверка способа направленного гидроразрыва горных пород // ФТПРПИ. — 2016. — № 4. — С. 3—11.

15. Рыбалкин Л. А., Патутин А. В., Патутин Д. В. Разработка технических средств направленного гидроразрыва с касательным нагружением стенок скважины // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. — 2017. — Т. 4. — № 2. — С. 275—278. ü^re

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Патутин Андрей Владимирович1 — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, andrey.patutin@gmail.com Рыбалкин Леонид Алексеевич1 — аспирант, младший научный сотрудник,

Шилова Татьяна Викторовна1 — кандидат технических наук, младший научный сотрудник,

Сердюков Сергей Владимирович1 — доктор технических наук, зав. лабораторией,

1 Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 3, pp. 75-81.

A.V. Patutin, L.A. Rybalkin, T.V. Shilova, S.V. Serdyukov DEVICE FOR MAKING TRANSVERSE FRACTURES IN MINES

Based on the analysis of data on stress state of rocks, efficient and safe schemes of mineral mining can be selected, and optimal modes of construction and operation of underground objects can be ensured. There are many methods to estimate actual stresses in rock mass. The most wide spread is the method of hydraulic fracturing stress measurement in mines. The minimal and maximal stresses are evaluated by interpretation and processing of data recorded during high-pressure fluid injection in isolated intervals in wells.

This article describes the layout of a device meant for creating fractures oriented cross-wise the well axis. The device consists of a composite pressure pack-off and a mechanic anchor. Expansion and fixation of the anchor in the form of a bolt or a Belleville spring creates complementary shear stress on the well walls in the packed-of interval. Tests of a doughnut bolt in the organic glass block show that penetration of the bolt creates damage area in the material. Application of the proposed device will enable creating transverse fractures in uncased wells without the need to implement extra and expensive operation of initial cutting using slot former.

Key words: hydraulic fracturing, transverse fracture, down-the-hole device, shearing load.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-3-0-75-81

AUTHORS

Patutin A.V1, Candidate of Technical Sciences,

Senior Researcher, e-mail: andrey.patutin@gmail.com,

Rybalkin L.A1, Graduate Student, Junior Researcher,

Shilova T.V.1, Candidate of Technical Sciences, Junior Researcher,

Serdyukov S.V.1, Doctor of Technical Sciences, Head of Laboratory,

1 Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch

of Russian Academy of Sciences, 630091, Novosibirsk, Russia.

ACKNOWLEDGEMENTS

The study has been supported by the Russian Foundation for Basic Research and the Government of the Novosibirsk Region, Project No. 17-45-540686 r_a.

REFERENCES

1. Shkuratnik V. L., Nikolenko P. V. Metody opredeleniya napryazhenno-deformirovannogo sostoy-aniya massiva gornykh porod: nauchno-obrazovatel'nyy kurs (Stress state estimation methods in rock mass: scientific-educational course), Moscow, MGGU, 2012, 112 p.

2. Kkhan M. F. Kh. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2011, no 6, pp. 183-184.

3. Asanov V. A., Toksarov V. N., Samodelkina N. A., Bel'tyukov N. L., Udartsev A. A. Vestnik Permsko-go natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Geologiya. Neftegazovoe i gor-noe delo. 2014. T. 13, no 12, pp. 56-66.

4. Kang H., ZhangX., Si L., Wu Y., Gao F. In-situ stress measurements and stress distribution characteristics in underground coal mines in China. Engineering Geology, 2010, Vol. 116, pp. 333—345.

5. Mills K., Jeffrey R., Black D., Meyer T., Carey K. Developing Methods for Placing Sand-Propped Hydraulic Fractures for Gas Drainage in the Bulli Seam. In Proceedings of the Coal Operators' Conference, Wollongong, 2006. pp. 190—199.

6. Rodin R. I., Plaksin M. S. Vestnik Nauchnogo tsentra po bezopasnosti rabot v ugol'noy promysh-lennosti. 2016, no 1, pp. 42—48.

7. Kurlenya M. V., Serdyukov S. V., Shilova T. V., Patutin A. V. Fiziko-tekhnicheskie problemy raz-rabotki poleznykh iskopaemykh. 2014, no 5, pp. 203—210.

8. Lekontsev Yu. M., Sazhin P. V. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopaye-mykh. 2014, no 5, pp. 137—142.

9. Huang B., Yu B., Feng F., Li Z., WangY., Liu J. Field investigation into directional hydraulic fracturing for hard roof in Tashan Coal Mine. Journal of Coal Science and Engineering, 2013, Vol. 19, no 2, pp. 153—159.

10. Yokoyama T., Sano O., Hirata A., Ogawa K., Nakayama Y., Ishida T., Mizuta Y. Development of borehole-jack fracturing technique for in situ stress measurement. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2014, Vol. 67, pp. 9—19.

11. Liu Y., Xia B., Liu X. A novel method of orienting hydraulic fractures in coal mines and its mechanism of intensified conduction. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2015, Vol. 27, pp. 190—199.

12. Lekontsev Yu. M., Patutin A. V., Sazhin P. V., Temiryaeva O. A. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2016, no 3, pp. 90—94.

13. Shilova T. V., Serdyukov S. V. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2015, no 5, pp. 179—186.

14. Serdyukov S. V., Kurlenya M. V., Patutin A. V., Rybalkin L. A., Shilova T. V. Fiziko-tekhnicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 2016, no 4, pp. 3—11.

15. Rybalkin L. A., Patutin A. V., Patutin D. V. Fundamental'nye iprikladnye voprosy gornykh nauk. 2017. T. 4, no 2, pp. 275—278.

FIGURES

Fig. 1. General view of the borehole tool (a), photo of the composite packer (b) and anchor (c): 1 — detent; 2 — anchor; 3 — rigid rubber; 4 — soft rubber; 5 — packer's pipe; 6 — packer's nut; 7 — anchor's pipe; 8 — anchor's nut; 9 — heavy-duty pipe; 10 — inlet manifold.

Fig. 2. Pressing the annular groove of the anchor into the borehole drilled in the block of plexiglas.

A