способ направленного гидроразрыва массива горных пород

Формула изобретения

1. Способ направленного гидроразрыва массива горных пород, включающий бурение скважины, герметизацию интервала разрыва и нагнетание рабочей жидкости в интервал разрыва, отличающийся тем, что направление энергетически выгодного развития трещины задают за счет неразрушающего изменения напряженного состояния горных пород в окрестности скважины до начала гидроразрыва путем неравномерного нагружения стенок скважины, или путем неравномерного нагрева стенок скважины, или путем неравномерного охлаждения стенок скважины, или путем создания неравномерного фильтрационного потока жидкости из скважины в горные породы, или путем создания неравномерного фильтрационного потока жидкости из горных пород в скважину, а развитие трещины в процессе гидроразрыва поддерживают непрерывным до достижения трещиной заданного размера.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что напряженное состояние горных пород вокруг скважины изменяют путем неравномерного нагружения стенок скважины вне интервала разрыва.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрерывное развитие трещины в процессе гидроразрыва поддерживают путем подачи рабочей жидкости под давлением не ниже давления распространения трещины и ниже давления образования трещин гидроразрыва в направлении, отличном от заданного.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что напряженное состояние горных пород вокруг скважины изменяют путем одноосного растяжения поверхности скважины перпендикулярно заданной плоскости развития трещины гидроразрыва.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что напряженное состояние горных пород вокруг скважины изменяют путем одноосного растяжения стенок скважины вдоль оси скважины.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что напряженное состояние горных пород вокруг скважины изменяют путем одноосного растяжения поверхности скважины перпендикулярно оси скважины и заданному направлению развития трещины гидроразрыва не менее, чем в одном интервале скважины длиной не менее пяти диаметров скважины каждый.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что напряженное состояние горных пород вокруг скважины изменяют путем неравномерного нагружения стенок скважины вида

_r=Р·cos² ,

,

где _r, _r - нормальная и касательная компоненты неравномерного нагружения стенок скважины;

r, - радиус и угол поворота цилиндрической системы координат с осью z вдоль оси скважины;

Р - параметр, характеризующий величину нагружения.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к горному делу, преимущественно к геотехнологическим способам подземной добычи полезных ископаемых, и может быть использовано при разрушении, осушении, дегазации горных пород, извлечении или закачке пластовых флюидов, разгрузке горных пород от сжимающих напряжений, создании противофильтрационных экранов.

Гидроразрыв горных пород выполняют путем подачи рабочей жидкости под давлением в необсаженный или перфорированный интервал скважины, что способствует разрыву горных пород и формированию трещин в направлении природной трещиноватости и/или максимального сжатия массива горных пород, что не всегда совпадает с требованиями геотехнологических способов добычи полезных ископаемых и может снижать эффективность работ. Неуправляемый характер развития трещин затрудняет формирование систем трещин заданной конфигурации, что необходимо, например, для эффективного осушения и разгрузки пород от сжимающих напряжений.

Для получения заданного направления развития трещин применяют различные способы направленного продольного гидроразрыва.

Известны способы направленного гидроразрыва с установкой в скважине или с нарезкой на ее стенках одноразовых концентраторов напряжений заданной ориентации, например, по патентам РФ № 2359115 (МПК Е21В 43/26, опубл. 10.02.2009) и РФ № 2452854(МПК Е21В 43/26, опубл. 27.12.2011). В способе по патенту № 2359115 несколько концентраторов напряжений, выполненных в виде инициирующих секций, устанавливают в скважину и заливают цементом. В способе по патенту РФ № 2452854 концентраторы напряжений в виде азимутально сориентированных щелей нарезают в цементированной обсадной колонне и вмещающих горных породах с помощью гидромеханического щелевого перфоратора.

Для улучшения направленности гидроразрыва концентраторы напряжений могут применять в сочетании с импульсным режимом подачи рабочей жидкости, как, например, в способе образования протяженного развития направленных трещин в массиве горных пород по патенту РФ № 2027853 (МПК Е21С 037/00, Е21С 037/12, опубл. 27.01.1995), включающем бурение скважины, прорезание концентратора напряжений, герметизацию зоны разрыва и нагнетание флюида в полость концентратора напряжений до гидроразрыва и отличающемся тем, что нагнетание флюида осуществляют в импульсном режиме, при этом частоту импульсов увеличивают при увеличении сопротивления разрушаемого материала. Недостатком способа по патенту РФ № 2027853 является возможность неуправляемого формирования нескольких различно ориентированных трещин гидроразрыва за счет неконтролируемого подъема давления в интервале разрыва при импульсном режиме нагнетания флюида, например рабочей жидкости.

К недостаткам известных способов по патентам РФ № 2027853, № 2335628 и № 2452854 следует отнести то, что они требуют проведения дополнительных работ по установке или созданию в скважине концентраторов напряжений в виде инициирующих щелей, что повышает трудоемкость выполнения гидроразрыва и эффективно не во всех горно-геологических условиях. Кроме того, создание инициирующей щели при продольном гидроразрыве не всегда обеспечивает развитие трещин в заданном направлении из-за того, что зона максимального растяжения на контуре инициирующей щели при нагружении давлением жидкости не всегда расположена на кончике щели. В зависимости от напряженного состояния массива горных пород отклонение развития трещины продольного гидроразрыва от плоскости концентратора напряжений может приближаться к 90 градусам.

Известны способы направленного продольного гидроразрыва, основанные на изменении напряженного состояния в окрестности интервала разрыва скважины за счет бурения в зоне ее влияния дополнительной параллельной скважины, например, по патенту РФ № 2335628 (МПК Е21В 43/26, опубл. 27.01.2008), в котором параллельные стволы малого диаметра бурят вдоль оси главных напряжений сжатия горного массива, при этом расстояние между параллельными горизонтальными стволами выбирают из условия обеспечения их устойчивости и проведения вертикального гидроразрыва по длине горизонтальных стволов с обеспечением движения трещин навстречу друг другу и их слияния.

Недостатком способа по патенту РФ № 2335628 являются значительные трудозатраты на бурение дополнительных скважин или боковых стволов, а также техническая сложность бурения параллельных скважин на заданном расстоянии друг от друга.

Общий недостаток известных способов направленного гидроразрыва по патентам РФ № 2359115, № 2027853, № 2335628 и № 2452854 состоит в необходимости проведения дополнительных технически сложных работ по созданию концентраторов напряжений заданной ориентации и формы, бурению дополнительных скважин или боковых стволов. Это существенно усложняет и повышает трудоемкость выполнения гидроразрыва при том, что сам разрыв является существенно более энергетически выгодным способом разрушения горной породы, чем, например, ее резка гидромеханическим перфоратором или струями высокого давления.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в снижении трудоемкости выполнения направленного гидроразрыва, в повышении надежности развития трещин в заданном направлении, в расширении технических возможностей управления направлением развития трещин гидроразрыва в различных горно-геологических условиях.

Поставленная задача решается тем, в способе гидроразрыва, включающем бурение скважины, герметизацию интервала разрыва и нагнетание рабочей жидкости в интервал разрыва, согласно техническому решению, направление энергетически выгодного развития трещины задают за счет неразрушающего изменения напряженного состояния горных пород в окрестности скважины до начала гидроразрыва путем неравномерного нагружения стенок скважины, или путем неравномерного нагрева стенок скважины, или путем неравномерного охлаждения стенок скважины, или путем создания неравномерного фильтрационного потока жидкости из скважины в горные породы, или путем создания неравномерного фильтрационного потока жидкости из горных пород в скважину, а развитие трещины в процессе гидроразрыва поддерживают непрерывным до достижения трещиной заданного размера.

Такая совокупность существенных признаков позволяет снизить трудоемкость направленного гидроразрыва за счет отказа от технически сложных и затратных операций по созданию в скважине концентраторов напряжений или бурения дополнительных скважин с повышенными требованиями к их геометрии. Задание энергетически выгодного направления развития трещины путем неразрушающего изменения напряженного состояния горных пород в окрестности скважины до начала гидроразрыва и поддержания непрерывного развития трещины в процессе гидроразрыва до достижения ею заданного размера обеспечивают в совокупности одностадийный характер направленного гидроразрыва без образования промежуточных инициирующих щелей и/или трещин и тем самым поддерживает направленность гидроразрыва и повышает надежность способа. Негативное влияние многостадийности гидроразрыва на его направленность связано с тем, что направление развития промежуточных щелей и трещин может не совпадать с их ориентацией, что создает условия для неуправляемого разворота трещины гидроразрыва и ее отклонения от заданного направления.

Напряженное состояние горных пород вокруг скважины может быть изменено путем неравномерного нагружения стенок скважины, или путем неравномерного нагрева стенок скважины, или путем неравномерного охлаждения стенок скважины, или путем создания неравномерного фильтрационного потока жидкости из скважины в горные породы, или путем создания неравномерного фильтрационного потока жидкости из горных пород в скважину, что расширяет технические возможности управления направлением развития трещин гидроразрыва в различных горно-геологических условиях.

Рабочая жидкость в процессе гидроразрыва может подаваться в интервал разрыва под давлением не ниже давления распространения трещины и ниже давления образования трещин гидроразрыва в направлении, отличном от заданного, что обеспечивает непрерывный рост только одной трещины гидроразрыва заданной ориентации.

Напряженное состояние горных пород вокруг скважины может быть изменено путем неравномерного нагружения стенок скважины вне интервала разрыва, или путем одноосного растяжения поверхности скважины перпендикулярно заданной плоскости развития трещины гидроразрыва, например, вдоль оси скважины, что способствует созданию поперечной трещины гидроразрыва, или перпендикулярно оси скважины и заданному направлению развития трещины гидроразрыва не менее чем в одном интервале скважины длиной не менее пяти диаметров скважины каждый, или за счет неравномерного нагружения стенок скважины вида

_r=P·cos² ,

где _r, _r - нормальная и касательная компоненты неравномерного нагружения стенок скважины,

r, - радиус и угол поворота цилиндрической системы координат с осью z вдоль оси скважины,

Р - параметр, характеризующий величину нагружения,

что способствует созданию продольных трещин гидроразрыва. Возможность выбора интервала нагружения, создание поперечного или продольного гидроразрыва увеличивает технологическую гибкость способа, расширяет круг решаемых им задач в различных горно-геологических условиях.

Использование способа в объеме приведенных признаков позволит значительно снизить трудоемкость направленного гидроразрыва, повысить надежность способа, обеспечить направленность распространения трещин, а также расширить технические возможности управления направлением развития трещин гидроразрыва в различных горно-геологических условиях.

Предлагаемый способ гидроразрыва поясняется чертежами на фиг.1, 2. На фиг.1 представлена схема направленного гидроразрыва горных пород по данному способу с формированием продольной трещины гидроразрыва в плоскости оси скважины, общий вид, на фиг.2 - схема направленного гидроразрыва с формированием поперечной трещины гидроразрыва перпендикулярно оси скважины.

При выполнении направленного гидроразрыва по предлагаемому способу в массиве горных пород 1 (фиг.1, 2) бурят скважину 2, в которой намечают интервал разрыва 3 и интервалы неравномерного нагружения стенок скважины, лежащие вне интервала разрыва 4, 5 и/или в интервале разрыва 6, 7. В одном или более интервалах 4-7 осуществляют неравномерное нагружение стенок скважины, которое в зависимости от горно-геологических условий создают путем неравномерного нагружения стенок скважины вне интервала разрыва 3, или путем неравномерного нагружения стенок скважины вида

_r=P·cos² ,

где _r, _r - нормальная и касательная компоненты неравномерного нагружения стенок скважины,

r, - радиус и угол поворота цилиндрической системы координат с осью z вдоль оси скважины,

Р - параметр, характеризующий величину нагружения,

или путем неравномерного нагрева или охлаждения стенок скважины, или путем создания неравномерного фильтрационного потока жидкости из скважины в горные породы или из горных пород в скважину и тем самым до начала гидроразрыва задают направление энергетически выгодного развития трещины 8. Интервал разрыва герметизируют пакерами 9, нагнетают в него рабочую жидкость под давлением не ниже давления распространения трещины и ниже давления образования трещин гидроразрыва в направлении, отличном от заданного, и создают трещину гидроразрыва заданного направления. Комбинация таких операций, как бурение скважины, герметизация интервала разрыва, нагнетание рабочей жидкости в интервал разрыва, не разрушающее горную породу изменение ее напряженного состояния путем неравномерного нагружения стенок скважины до начала гидроразрыва и задание тем самым направления энергетически выгодного развития трещины, а также поддержание непрерывного развития трещины в процессе гидроразрыва, например, за счет подачи рабочей жидкости под давлением не ниже давления распространения трещины и ниже давления образования трещин гидроразрыва в направлении, отличном от заданного, обеспечивает повышение направленности гидроразрыва, снижение трудоемкости его выполнения и расширение технических возможностей управления направлением развития трещин гидроразрыва в различных горно-геологических условиях.