Способ гидравлического разрыва горных пород

О П И С А Н И Е ( )874997ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союэ Совет сникСоциалистическикРеспублик(51)М. Кл, Е 21 В 43/26 и ЭЙ рисоелинением за) Приоритет Гаоударстваиаый комете СССРделам иаобретеиий . и открытий 081Бю убликовано 23 ень МЭ 9 3) УДК 622.245 .54(088.8).Г н Ленинградский ордена Ленина, ордена и ордена Трудового Красного Знамениим. Г.В.Плеханова) Заявите 4) СПОСОБГО ЛИЧЕСКОГО РКЗРЬОРОД ериала сй - от 0,01требуетнистого определ до 0,59 ся 0,1- и трещи 5 закрепляющего мат енной концентрацие г/см , после чего й 50 ч поддерживать не высокое давлени Способ предусматривает ние определенных составов метрических характеристик го.материала, обеспечивающ жение зерен в несколько сл Недостатком известногоскважине испол ьзовагрануло-, ернистох располоев 111. пособа Изобретение относится к горному делу и строительству подземных сооружений и может применяться для достижения гидравлического разрыва с об-, разованием закрепленных и полых трещин в кристаллических массивах или напластованиях твердых, в частности, мерзлых льдонасыщенных горных пород при необходимости последующего использования созданных трещин в качестве путей движения потоков жидкости или газа, например, для конвективного переноса тепла от горячих горных пород к скважине или от скважины к мерзлым горным породам, в качестве. ослабленной или свободной по верхности при разрушении горных пород и в других случаях.Известен способ гидравлического разрыва горных пород, основанный на нагнетании жидкости в горные породы с образованием в них трещины гидравлического разрыва и последующем переносе в трещину взвешенного зерявляется невозможность достижения необходимой ширины трещины и сохранение ее во время нагнетания постоянного положения границы площади распространения закрепляющего слоя с получением за контуром этой площа ди части трещины, сохранившейся в полом состоянии.Известен способ гидравлического разрыва горных пород, включающий осуществление разрыва горных пород путем нагнетания в разрываемую зону жидкости под давлением и последу20 30 45 зависимо от наклона трещины в пределах кольцеобразной площади. Его внутренний контур 8 отделен от скважинырасстоянием, которое зависит от режима расхода и температуры процессанагнетания. Отвердевший расплав заполняет также пересеченные искусственной трещиной 1 естественныепоры и трещины 9 в горных породахпреграждая фильтрационные утечки. 10На фиг. 1 и 2 пунктиром показано вероятное расположение новых трещин10 и 11 гидравлического разрыва, возникающих после изменения напряженного состояния горных пород, сжатых 15вследствие расширения и закреплениятрещины 1Для осуществления способа требуются известные технические средства.На поверхности необходим сосуд-нагреватель для подготовки расплавленного вещества, соединенный с напорным баллоном, из которого поступающие порции расплавленного веществавытесняются в скважину неотверде.вающей жидкостью. Необходима термоизоляция оборудования и нагнетательной трубы. В скважине необходиматруба для предварительного нагревания стенок,Примером использования предлагаемого способа является проектнаясхема образования полых трещин, входящих в систему, предназначеннуюдля нагревания воды горными порода 35.ми в теплофикационных целях. Температура гращита на глубине распооложения трещин Т равна 150 С. Через скважину известными операциямивыполняют первый гидравлический раз 40рыв с использованием воды. Затемскважину прогревают до температурыо280 С и нагнетают для продолжениягидравлического разрыва расплавленную смесь нитрата (,507) и нитрита натрия с температурой Т 2 равнойо )270 С. Температура отвердевания это-.го расплавленного вещества Т равофна 250 С, Таким образом, в данномослучае То на 100 С выше Т 1, разностьТ-То незначительна. Требуется образовать в трещине слой отвердевшейсмеси нитрата и нитрита натрия шириной О, 15 м и на площади 500 м с тем,2чтобы вокруг внешнего контура, радиус которого около 17 м, образовалась незаполненная креплением кольце.образная часть трещины, в которой будет циркулировать вода - теплоноситель, Необходимый объем отвердевшего вещества составляет 75 м . Для данных условий режим расхода М нагнетаемой смеси расплавленного нитрата и нитрита натрия .определяется путем вычисления сначала значенийплотности потока тепла и в гранитпо известной формуле для промежутковвремени по 0,1 ч за первый час, ипо одному часу за последующее время. Найденные значения с 1, известные зна 2чения площади Г (500 м ) и теплоты отвердевания расплавленного вещества (60 ккал/м) позволяют по предложенной формуле вычислить объемный расход для ряда последовательных промежутков времени, взятых при вычислении значений 1. По нарастающему итогу суммируемых объемов закаченного расплавленного вещества находится продолжительность нагнетания 75 мэтого вещества. В данном случае она равна 6 ч. Найденные значения расхода изменяются от 18 м /ч в течение первого периода 0,1 ч (6 мин), 39,3 м /ч следующие 0,1 ч и т.д. до 5,0 м/ч в конце первого часа, в течение последнего, 6-го часа, расход составляет 7,6 м э/ч. Площадь полой периферической части трещины гидравлического разрыва вокруг внешнего контура ее заполненной части, где ширина достигает 0,15 м, составит около 1000 мй При указанной ширине полой части трещины вероятно образование оперяющих трещин по мере охлаждения и деформации гранита, что обеспечивает увеличение поверхности теплообмена. Предложенный способ гидравлического разрыва экспериментально проверен в вечномерзлых льдонасыщенных гравийно-гапечных и супесчаных поородах с температурой -9 С. В качестве расплава отвердевающего вещества через скважину нагнетают преснуюо воду, отвердевающую при 0 С, Вода поступает в породы на глубине 5 м. При первом приеме нагнетания за одну.ф минуту давление достйгает 12 МН/м и в образовавшуюся трещину шириной 3 мм поступает 0,12 м воды. Трещина горизонтальна, но имеет вертикальные ответвления, по которым начинается выход воды на дневную поверхность. После 19-часового перерыва возобновляют нагнетание воды с максимальным давлением 11 МН/м и объемом закаченной воды 0,18 м . Ширина трещины увеличивается на 3 мм и отмеченприрост площади ее распространения,но верти 1 альных трещин больше непоявляется, а прежние остаются заполненными льдом. Далее; в течение 250 чнагнетают воду через ту.хе скважину70 раз по 1-б мин, а в сумме 180 мин,в результате чего ширина горизонтальной трещины, заполненной льдом, возросла до 18 мм на площади 1400 м . 1 ОТаким образом, подтверхцена возможность увеличения ширины и изменениянаправления трещины при повторныхнагнетаниях. Две. группы скважины,в 11 м друг от друга, используют для 15нагнетания 0,2 м воды в режиме,Эобеспечивающем замерзание льда в трещине гидравлического разрыва на площади с радиусом внешнего контура 3 мот каждой скважины. Б 1 ирина горизонтальной трещины достигает 0,004 м наплощади 180 м , хотя ледяное наслоение распространилось только на площадь 50 м . Следовательно, на площади 130 м, за контуром ледяного заполнения трещина осталась полой, чтопредусматривалось при испытании способа.Технико-экономическая эффективностьпредлагаемого способа видна при срав.нении результатов образования трещингидравлического разрыва в качествепутей движения потока жидкости-теплоносителя между двумя скважинами.При известном способе образующаяся35трещина имеет ширину около 0,005.ми заполнена зернистым материалом,допускающим только Фильтрацию. Предлагаемым способом возможно образоватьполые части трещин с шириной до400,015 м и более, в которых поток жидкости испытывает на два-три порядкаменьшее гидравлическое сопротивление, что делает эксплуатацию дешевле. Обеспечение возможности образо 45вания полых, несомкнутых участков трещин дпя движения жидкого теплоносителя в системах искусственной проницаемости для использования тепловойэнергии горных пород позволит во многих случаях пользоваться гидравлическим разрывом по предлагаемому способу взамен подземных ядерных взрывов для разрушения пород. В случаеприменения предлагаемого способагидравлического разрыва на разработках вечномерзлых горных пород е применением взрывов подготовка полыхили льдонаполненных трещин позволит уменьшить объем и стоимость буро-взрывных работ;Формула изобретения1. Способ гидравлического разрыва горных пород, включающий осуществление разрыва горных пород путем нагнетания в разрываемую зону жидкости под давлением и последующую закачку в эту зону отверждающегося вещества, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения ширины формирующейся трещины и сохранения части трещины в полом состоянии, в качестве отверждающегося вещества закачивают расплавленное вещество, температура отверждения которого выше температуры горных пород, причем расход потока расплавленного вещества определяется, исходя из зависимости(46 /М),ТО-Т )ЯС 11, 1%Р)Ггде,Ф - объемный расход расплавленного вещества, м /с; :РЯС"- коэффициент тепловой активности горных пород Дж/м, град сф;- коэффициент теплопроводностигорных пород, Вт/1,м град);с - удельная теплоемкость горныхпород, Дж/Скг град 21У - плотность горных пород, кг(мТ - температура отверждения расОоплавленного вещества, С;Т 1 - температура горных пород, ф С;1". и - отсчеты времени от начала3 Ннагревания породы расплавленным веществом, с;Г - необходимая площадь распространения расплавленного вещества в трещине, м;С) - количество тепла отвержденияединицы объема расплавленного вещества, Дж/м.2. Способ по п, 1, о т ли ч а - ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения протяженности формирующейся трещины, закачку расплавленного вещества чередуют с закачкой неотверждающейся жидкости.3, Способ по пп. 1 и 2, о т л и - ч а ю щ и й ю я тем, что в качестве расплавленного вещества закачивают874997 12 иг 7 Составитель А.ЗвездиРедактор Н.Лазаренко Техред М.Рейвес орректор А.ференц аказ 9284 55 Тираж 630 П ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 Филиал ППП Патент 4одписное г. Ужгород, ул, Проектная,нитрат натрия или парафин или нитрит натрия.4. Способ по пп. 1 и 2, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что при разрыве горных пород с температурой ниже Ф0 С, в качестве расплавленного вещества закачивают воду,Источники информации.,принятые во внимание при экспертизе