Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор существующих технологий оценки напряженного состояния массива горных пород 12
1.1. Способы измерения напряжений в горных породах 14
1.2. Классический метод измерительного гидроразрыва 19
1.3. Механический “сухой” разрыв 27
1.4. Дополнительные параметры в технологии «сухого» разрыва, технологические аспекты метода 39
2. Моделирование процесса деформирования системы «скважина – трещины гидроразрыва» в задаче оценки напряженного состояния массива горных пород при радиальном нагружении стенок скважины 54
2.1. Математическая постановка и решение задачи при использовании изолирующей оболочки (радиальноссиметричном нагружении) 58
2.1.1. Численные расчеты и их анализ для задачи с изолирующей оболочкой 66
2.1.2. Оценка давления раскрытия существующей трещины 73
2.2. Использование круговых деформаций контура отверстия для определения параметров внешнего поля напряжений при радиально симметричном нагружении стенок скважины 75
2.3. Результаты численного моделирования распределения напряжений вокруг скважины с трещиной при нагружении изолирующей оболочкой 84
3. Исследование процесса деформирования «скважина-трещина гидроразрыва» при направленно – одноосном нагружении, оценка параметров создаваемого нагружения и поведения трещины при использовании устройства направленного разрыва в интервале скважины 87
3.1. Математическая постановка задачи при использовании направленного нагружения 88
3.1.1. Результаты численных экспериментов при одноосном направленном нагружении 95
3.2. Стендовые эксперименты для получения параметра передачи нагрузки 102
3.3. Стендовые эксперименты по определению эффективности оценки напряженного состояния используя давления повторного открытия разноориентированыых систем трещин 110
3.4. Стендовые эксперименты по определению поведения трещины, создаваемой устройством направленного разрыва на объемных образцах горных пород 115
4. Алгоритм определения параметров внешнего поля напряжений при использовании изолирующей оболочки, направленного нагружения и деформационных измерений контура скважины 127
4.1. Практическая реализация метода измерения напряженного состояния массива с использованием изолирующей оболочки 131
4.1.1. Алгоритм определения параметров внешнего поля при использовании устройства с изолирующей оболочкой 132
4.2. Практическая реализация метода измерения напряженного состояния массива горных пород с использованием устройства направленного нагружения 137
4.3. Оборудование для проведения натурных экспериментов по предлагаемым технологиям 139
Заключение 155
Список литературы 160
- Классический метод измерительного гидроразрыва
- Использование круговых деформаций контура отверстия для определения параметров внешнего поля напряжений при радиально симметричном нагружении стенок скважины
- Стендовые эксперименты для получения параметра передачи нагрузки
- Алгоритм определения параметров внешнего поля при использовании устройства с изолирующей оболочкой
Введение к работе
Добыча полезных ископаемых является одним из определяющих параметров экономики России. Задача оценки компонентов напряженного состояния массива горных пород является одной из важнейших, так как напряженным состоянием определяется технология разработки месторождения, а также на ее основе производится прогноз проявления горного давления.
Знание напряженно-деформированного состояния горных массивов имеет фундаментальную значимость для решения широкого круга проблем, связанных с созданием безопасных технологий отработки месторождений и рациональным извлечением полезных ископаемых. Усложнение горногеологических условий при добыче полезных ископаемых в связи с переходом на более глубокие горизонты, а также вовлечение в разработку месторождений с более сложными условиями по горному давлению ведут к возрастанию роли геомеханических измерений. Увеличение темпов добычи полезных ископаемых, рост глубин разработки делают необходимым контроль напряжений, действующих на большом удалении от выработанного пространства, то есть в тех зонах массива, которые будут подвергнуты выемке спустя некоторое время. Но даже в тех зонах, которые не будут непосредственно подвергнуты влиянию горных работ, происходит перераспределение напряжений, что может стать причиной динамических явлений в массиве.
Наиболее распространенным методом прямого измерения напряженного состояния массива горных пород является гидроразрыв. Расчет напряжений в этом методе проводят по данным измерений давлений раскрытия и закрытия единичной трещины гидроразрыва. В проницаемых горных породах такой подход не всегда возможен или ведет к значительным ошибкам из-за утечек рабочей жидкости. Многочисленные модификации метода позволили расширить область эффективного использования метода. Можно выделить следующие типы модифицированных методик на базе метода гидроразрыва:
- Метод гидравлического тестирования уже существующих трещин
(Hydraulic Tests on Preexisting Fracture-HTPF);
Метод «сухого» разрыва (негидравлического разрыва, Sleeve fracture): одиночной трещины (Single Sleeve Fracture Method), двойной трещины (Double Sleeve Fracturing Method);
Метод разрыва скважинным домкратом (Borehole jack fracture method).
Однако данные подходы, основанные на измерении давлений раскрытия нескольких разноориентированных трещин, не обеспечивают достаточной точности измерений напряжений по следующим причинам:
-
создание системы трещин заданной конфигурации не всегда возможно;
-
недостаточная точность измерения давления открытия трещин при радиальном нагружении (с использованием стандартных средств измерения);
-
взаимное влияние трещин при деформации прискважинной зоны массива горных пород.
Решение задачи повышения точности измерений напряжений на базе метода «сухого» гидроразрыва обеспечит достоверность проектирования и эффективность технологий разработки месторождений полезных ископаемых.
В связи с этим исследование, направленное на повышение достоверности оценки напряжений массива проницаемых горных пород, является актуальным.
Решению задачи, повышения точности оценки компонентов напряженного состояния массива проницаемых горных пород, на основании соединения классического метода гидроразрыва и «сухого» разрыва, посвящена диссертационная работа, которая выполнена в рамках государственного контракта ГК 16.515.11.5035 «Проведение исследований и разработка прототипа экологически безопасной технологии добычи метана из угольных пластов и подстилающих горных пород в шахтных условиях» Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» «Рациональное природопользование», соглашения №8662 «Проведение научных исследований по созданию технологии управляемого гидроразрыва для повышения эффективности и безопасности подземной добычи твердых полезных ископаемых» Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы, грантов РФФИ (проект №11-05-00390, 12-05-31358).
Цель работы заключается в обосновании способа оценки компонентов напряженного состояния массива горных пород по деформационному поведению системы «скважина - трещина гидроразрыва» при различных типах на-гружения стенок скважины.
Идея работы состоит в установлении зависимостей изменения формы сечения скважины, с контура которой идут трещины гидроразрыва, от отношения внешних сжимающих напряжений при радиально - симметричном и од-ноосно - направленном нагружений стенок скважины для оценки напряжений в проницаемых горных породах. Указанные зависимости предлагается использовать как для определения давлений открытия в случае использования направленно – одноосного нагружения, так и вместо давления запирания трещин в случае радиально-симметричного, достоверность измерения которых существующими способами не соответствует производственным требованиям.
В соответствии с целью и идеей работы определены следующие задачи исследований:
-
Изучить влияние напряженного состояния массива и упругих свойств горных пород на изменение площади поперечного сечения скважины, с контура которой сформирована одиночная трещина продольного гидроразрыва, под действием радиально симметричного нагружения стенок скважины.
-
Исследовать зависимость тангенциальных деформаций пород на контуре скважины, с контура которой идет несколько разнонаправленных трещин продольного гидроразрыва, от напряжений и упругих свойств горных
пород, параметров трещин и одноосного нагружения стенок скважины ортогонального ее оси.
-
Создать способ измерения давлений открытия системы разнонаправленных трещин продольного гидроразрыва по тангенциальным деформациям пород на контуре скважины под действием одноосного нагружения её стенок.
-
Разработать способ определения напряжений в горных породах по изменению площади поперечного сечения скважины, содержащей одиночную трещину продольного гидроразрыва, при радиально симметричном нагруже-нии стенок скважины.
Методы исследований. Анализ и обобщение литературных источников, физическое и математическое моделирование, метод интегральных сингулярных уравнений, статистические методы анализа экспериментальных данных, лабораторные эксперименты на масштабных моделях, сопоставление теоретических и экспериментальных результатов.
Объект исследований – участок массива проницаемых горных пород.
Предмет исследования – компоненты напряженного состояния массива проницаемых горных пород.
Научные положения, выносимые на защиту:
при радиально симметричном нагружении стенок скважины, содержащей одиночную трещину продольного гидроразрыва, изменение площади поперечного сечения скважины определяется отношением минимального и максимального напряжений, действующих в породном массиве ортогонально оси скважины, а также упругими свойствами горных пород. Компоненты приращения площади поперечного сечения скважины, обусловленные раскрытием трещины продольного гидроразрыва на контуре скважины и упругими деформациями вмещающих горных пород, имеют одинаковый порядок;
одноосное нагружение стенок скважины перпендикулярно ее оси обеспечивает точность раскрытия трещин продольного гидроразрыва на контуре скважины при различии их ориентации на 10 и более градусов. Измерение тангенциальных деформаций породы на контуре скважины под действием одноосного нагружения повышает точность определения давления открытия трещин продольного гидроразрыва на 20% и более;
установлено, что измерение давления раскрытия на контуре скважины нескольких разнонаправленных трещин, идущих с контура скважины, направленным-одноосным нагружением, позволяет определить компоненты напряженного состояния массива горных пород. Измерение давления раскрытия каждой трещины при этом осуществляется раздельно;
измерения компонентов напряженного состояния массива горных пород осуществляется по давлению открытия трещины на контуре скважины и последующему изменению площади поперечного сечения скважины, вызванному раскрытием трещины при радиально симметричном нагружении стенок скважины.
Научная новизна работы заключается в:
определении зависимости деформации прискважинной зоны массива горных пород, содержащей трещину гидроразрыва от внешнего поля напряжений, упругих характеристик горных пород, слагающих вмещающий массив, и величины радиального нагружения стенок скважины;
установлении характера зависимости между площадью поперечного сечения ствола скважины и отношением напряжений, действующих в массиве горных пород;
определении точности измерения давлений повторного раскрытия разно-ориентированных трещин гидроразрыва при направленном нагружении и особенностях раскрытия трещин при таком виде нагружения;
разработке метода и повышении достоверности измерения напряженного состояния массива проницаемых горных пород с использованием в расчетной схеме зависимости раскрытия трещины от внешнего поля напряжений, что позволяет повысить точность измерения отношения минимального и максимального напряжений в массиве.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:
хорошим совпадением данных численного моделирования и существующих результатов моделирования схожих задач, в том числе и аналитических решений;
удовлетворительной сходимостью численных и фактических данных, полученных по результатам лабораторных экспериментов.
Научное значение работы состоит в обосновании метода измерения напряженного состояния массива проницаемых горных пород, использующего гидроразрыв и деформационные измерения.
Личный вклад автора заключается:
- в проведении аналитического обзора существующих методик измерения
напряженного состояния, базирующихся на измерительном гидроразрыве и
обозначении проблемных пунктов методик с использованием технологии
гидроразрыва;
построении математической модели задачи деформирования присква-жинной зоны, содержащей трещину гидроразрыва и выполнении численных экспериментов по определению зависимости деформаций от параметров внешнего поля напряжений;
в разработке и изготовлении стенда для физического моделирования процесса нагружения стенок скважины направленным нагружением для оценки точности определения ориентации существующих систем трещин и величины давления их раскрытия;
- в экспериментальных исследованиях процесса нагружения стенок сква
жины направленным одноосным нагружением;
- в разработке алгоритма оценки напряженного состояния горных пород
по деформационной характеристике прискважинной зоны, содержащей тре
щину гидроразрыва.
Практическое значение работы заключается в разработке алгоритма оценки напряженного состояния массивов проницаемых и трещиноватых горных пород на базе метода измерительного гидроразрыва и деформационных измерений, который позволяет выполнять измерения в глубоких скважинах. А также в том, что полученные результаты легли в основу методических рекомендаций, позволяющих производить оценки напряженного состояния массива проницаемых и трещиноватых горных пород без использования давления запирания трещины.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Алгоритм оценки напряжений предложенным методом, позволит провести исследования по определению напряженного состояния верхней части Земной коры и построения карты напряжений для территорий РФ. Наличие повсеместной информации о характере напряженного состояния массива пород позволит создавать геомеханические модели месторождений полезных ископаемых при корректных граничных условиях.
Разработана методика оценки напряженного состояния массива проницаемых горных пород. Основные положения разработанных методических рекомендаций изложены в отраслевом методическом документе: «Методика оценки напряженного состояния массива проницаемых горных пород с использованием радиальносимметричного или направленно-одноосного нагру-жения стенок ствола скважины». Методический документ согласован с Институтом горного дела СО РАН.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на: научном Симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2008 г.); XLVIII Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, НГУ, 2010 г.); 5 Международном симпозиуме по измерению напряжений (Китай, Пекин, 2010 г.); VI-VII Международных научных конгрессах и выставках “Гео – Сибирь” (Новосибирск, СГГА, 2010-2011 гг.); XIV Международном симпозиуме имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых (Томск, ТПУ, 2010 г.); 6 международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в 21 веке глазами молодых» (Москва, ИПКОН, 2009 г.); 1-ой международной конференции “Математические методы в геофизике-2008” (Новосибирск, ИВМиМГ, 2008 г.), 46 Симпозиуме по Механике горных пород/Геомеханике (Сан-Франциско, США, 2011г.), Международной конференции по механическим, промышленным и производственным технологиям – 2011 (Мельбурн, Австралия, 2011г.), Международной конференции «Геология в развивающемся мире» (Пермь, Перм. гос. ун-т., 2011 г.).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 20 работ, из них 4 статьи в журналах по перечню ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 171 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 98 рисунков и список литературы из 115 наименований.
Классический метод измерительного гидроразрыва
В зависимости от условий применения методы подразделяются на шахтные, когда доступ к массиву непосредственно обеспечен горными выработками, разведочными стволами, штольнями; и скважинные (или полевые), при использовании которых доступ к исследуемой области массива ограничен и возможен только через скважины, но имеющие перспективу применения на глубинах более 500 метров. Естественно, граница между шахтными и скважинными методами условна, так как по мере развития техники область применения методов расширяется. Кроме того, некоторые методы развиваются параллельно как для шахтных, так и для полевых условий, отличаясь лишь в инструментальном оснащении, например, метод гидроразрыва скважин. С точки зрения практических приложений важной характеристикой того или иного метода является его масштабность. Она определяется двумя параметрами. Во-первых, характерным размером того объема пород, напряженное состояние которого может быть определено данным методом. И, во-вторых, дистанци-онностью метода, т.е. расстоянием от исследователя, на котором данный метод может быть реализован. Представление об этих параметрах дают, соответственно, таблицы 1 и 2, составленные путем экспериментальной оценки. Видно, что к числу наиболее универсальных (т.е. комплекса обеих характеристик) относится метод гидроразрыва пород в скважине. С одной стороны, он эффективен при детальном изучении полей напряжений в зонах влияния подземных и наземных сооружений, с другой – в числе немногих может использоваться для диагностики напряженного состояния пород на значительных глубинах [19].
Разрабатываемые приборы и способы геомеханических измерений, в том числе для измерения напряжений в горных породах, должны отвечать требованиям, предъявляемым к массовым контрольным измерениям: простота устройства, как первичных устройств, так и всего комплекса аппаратуры; наименьшие габариты первичных датчиков и регистрирующей аппаратуры; высокая информативность. Важнейшим требованием к аппаратуре для геомеханических измерений остается низкая стоимость.
Повторимся, что к числу наиболее универсальных по масштабности применения эффективной глубине измерений, а также классических методов измерения напряженного состояния относится метод гидроразрыва. Этот метод получил широкое распространение при измерении напряжений в горнодобывающей промышленности. В нефтегазовой промышленности данный метод также получил широкое распространение. Это связанно с массированным внедрением гидроразрыва пласта как метода интенсификации добычи углеводородов. Обязательным предварительным компонентом промышленного гидроразрыва пласта является тест мини-ГРП (аналог измерительного гидроразрыва), направленный на изучение характеристик испытуемого пласта, поведения роста трещины, получения качественной информации о характере напряженного состояния. Здесь следует подчеркнуть широкое развитие различных методов диагностики азимутальной ориентации, высоты трещин, создаваемых гидроразрывом, и в особенности современных методов пассивного сейсмического мониторинга, наземной и скважинной наклометрии, широкий обзор, которых представлен в работах Экономидеса М. и Каневской Р.Д. [13, 14].
Однако классическая методика измерительного гидроразрыва обладает рядом очевидных недостатков. Во-первых, невозможность проведения испытаний в трещиноватых горных породах (что делает необходимым предварительный анализ керно-вого материала или скважинных исследований для выбора интервала скважины с отсутствием естественных трещин), во-вторых, погрешности определения напряжений в высокопроницаемых породах, связанные с невозможностью определения давления мгновенного запирания и значительными ошибками в определении давления повторного раскрытия трещин, Ito T. [16, 111]. Идеи решения этих двух проблем стали основой для двух модификаций метода гидроразрыва: метода гидравлических испытаний уже существующих трещин (HTPF-hydraulic test pre-existing fracture) и «сухого» разрыва (SF-sleeve fracture) – рис. 4. Возможность измерения напряжений на значительных глубинах, стала основой для модификации уже технологической части метода. Переход к скважинным системам гидронасосов, электросистем, которые должны располагаться в непосредственной близости с исследуемым интервалом скважины, обусловлен стремлением к снижению потерь давления, объема и энергии системы в длинных трубопроводах, идущих с поверхности. Так как главной темой данной работы является создание модификации метода гидроразрыва для измерения напряженного состояния высокопроницаемых горных пород, то упор будет сделан на анализе технологии «сухого» разрыва и его различных модификаций.
Использование круговых деформаций контура отверстия для определения параметров внешнего поля напряжений при радиально симметричном нагружении стенок скважины
При =2,5 ошибка в определении напряжений достигает 15%. В работе Griffith А.А. [73] отмечено, что образование в твердой среде протяженных трещин понижает ее трещиностойкость и вносит изменения в напряженное состояние, а ведь именно создание протяженных трещин в своей основе предполагает метод DFM. Главной проблемой в данном случае является именно предположение о том, что вторая система трещин формируется в результате перераспределения напряжений в ближней зоне скважины, что фактически означает, что измеряемые напряжения уже не соответствуют реальным, действующим в массиве. Single Fracture Method был создан как модификация метода Double - Fracture Method для решения проблем, связанных с неоднородностями и уже существующими трещинами в исследуемом массиве горных пород Sakuma S., Mizuta Y. И пр. [72]. Выше описана схема реализации этого метода. Для касательных напряжений на границе скважины в случае внутреннего давления, прикладываемого на угловой дуге 2/? (градус), можно записать как [68]:
Отсюда касательные напряжения, создаваемые таким устройством, на 79% выше, чем устройством для DFM. Касательные напряжения на щелях более чем в два раза выше, чем создаваемые под оболочками, отсюда предположение о преимущественном формировании трещин в направлении щелей. На основании чего [46] и предполагается возможность создания трещин в любом желаемом направлении путем вращения устройства. Суперпозиция решения для нагрузки от устройства [56] и известного решения Кирша для напряжений вокруг кругового отверстия, получается как выражение для результирующих тангенциальных напряжений на щели и под нагружающими оболочками:
Ограничение предельного угла для создания протяженной трещины P - давление в устройстве (Мпа). На рис. 19 представлена диаграмма критического угла, в интервале которого можно создать протяженную трещину при различных k. Видно, что с ростом k ограничения на этот угол возрастают. Проведенный анализ показал, что, характерные кривые «P-D», которые являются основой для интерпретации метода «сухого разрыва», есть функция от отношений напряжений k. Численные расчеты позволили установить типичные виды характерных кривых «P-D» для различных отношений k и указать на существующие ограничения для методов SFM и DFM. Таким образом, корректный анализ экспериментальных данных «сухого» разрыва зависит от положения формирования трещин и правильной интерпретации условий их образования. Следовательно, если в массиве действует неоднородное поле напряжений применение метода «сухого» разрыва ограничено.
В работах [55, 75] предложена модификация метода DFM, при которой давление раскрытия второй (ортогональной), системы трещин оценивается из радиальной деформации скважины. Отсутствие эффективного пути определения Pr препятствует прогрессивному применению метода DFM. В статье [75] теоретический анализ сопровождает экспериментальные исследования скважинных деформаций в результате нагрузки дилатометром. Результаты анализа показывают, что если измерять круговую деформацию, то можно определять Pr лучше, чем по записям диаметральных деформаций контура скважины – как это предлагается в прессио-метрическом тесте. Результат выполненного моделирования в работе показывает, что использование радиальных деформаций скважины, как предложено в работах [42, 45], не эффективно для определения Pr и ориентации трещины. На рис. 28 показаны тангенциальные напряжения на стенке скважины, они достигают пика на направлениях, совпадающих с азимутом трещин =0 и 180 при Sp ниже Pr, при дальнейшем росте Sp постепенно смещается на =90 и 270. После максимум напряжений уже не меняет своего положения, а возрастает с увеличением Sp. В конце концов, при превышении прочности пород на растяжение возникнут новые радиальные трещины [42, 36, 38]. Решена численная задача для деформаций скважины с двумя ортогональными парами трещин с использованием МКЭ, на рис. 20 и 21 представлены распределения напряжений и деформаций, соответственно.
Из результатов ясно, что до раскрытия вторых трещин их существование не оказывает значительного влияния на напряжения и деформации. Но раскрытие вторых трещин вносит изменение в наклон графика, как и раскрытие первых трещин. Используя формулу: можно получить величины напряжений в массиве, где mm, max - соответственно наименьшая и наибольшая компонента главных напряжений в плоскости ортогональной оси скважины (Мпа), Prs - давление раскрытия второй системы трещин (Мпа). Однако Prs возрастает с ростом тах, как видно из этой формулы, что является существенным ограничением на применимость этого метода при высоких напряжениях, т.к. необходима система, рассчитанная на высокое рабочее давление. Новый зонд [75] для измерения тангенциальных деформаций в ходе нагружения на стенке скважины де, схематически изображен на рис. 22.
Стендовые эксперименты для получения параметра передачи нагрузки
Распределение напряжений xx в области устья трещины Из полученных результатов численного моделирования видно, что при наличии максимального сжимающего напряжения, в направлении которого обычно развивается трещина, картина напряжений существенно изменяется.
В данной главе построена математическая модель и выполнены численные расчеты для определения характера зависимости раскрытия трещины на контуре отверстия от отношения внешних напряжений, давления в отверстии (при радиаль-носимметричном нагружении стенок скважины) и упругих характеристик горных пород. Результаты выполненного численного моделирования позволяют сделать следующие выводы:
1) Изменения поперечного сечения скважины, вызванные раскрытием трещины гидроразрыва на контуре и деформациями, под влиянием внешнего поля напряжений и давления в скважине имеют одинаковый порядок величины;
2) Раскрытие трещины зависит от внешнего поля напряжений и параметров нагружения и может быть представлено математическим выражением полиномов пятого порядка с коэффициентами, зависящими от вида напряженного состояния массива горных пород. Данное выражение описывает обозначенную зависимость с точностью до 98%;
3) Отклонение ориентации трещины от направления максимального сжатия в пределах ±10 и изменение модуля Юнга и коэффициента Пуассона в интервале ±10% не вносит существенной погрешности в точность оценки раскрытия трещины на контуре отверстия;
4) Измерение касательных деформаций при измерениях на стенке скважины позволяет повысить точность измерения давления повторного раскрытия трещины до 0.1 МПа и получить зависимость раскрытия трещины от давления, которое благодаря использованию полученного математического выражения напрямую дает оценку соотношения величин максимального и минимального напряжений в массиве.
3. Исследование процесса деформирования «скважина-трещина гидроразрыва» при направленно – одноосном нагружении, оценка параметров создаваемого нагружения и поведения трещины при использовании устройства направленного разрыва в интервале скважины
В случае если на предварительной стадии при импульсном нагружении в исследуемом интервале скважины сформированы 3 или более трещин, то методология, изложенная в гл. 2 не позволит определить величины напряжений, действующих в массиве горных пород. В этом случае для оценки напряженного состояния предлагается использовать алгоритм с использованием давлений раскрытия нескольких разно ориентированных систем трещин.
Также проведенный анализ технологий одиночной трещины и разрыва сква-жинным домкратом, описанный в гл.1, показал ряд их недостатков. Это относится и к ряду предположений, являющихся основой данных технологий. Устройства [54, 55], используемые в этих технологиях, также характеризуются рядом недостатков, среди которых можно выделить следующие: - устройство [54], используемое в методе одиночной трещины формирует не направленное, а близкое к радиальносимметричному нагружение на стенке сква жины; - возможность формирования направленных трещин в любом желаемом направлении вне зависимости от внешнего поля напряжений – не обоснована и не подтверждена полевыми экспериментами; - устройство [55] – скважинный домкрат, имеет значительное расстояние между нагружающими полуцилиндрами. Это ведет к вероятности возникновения трещины в широком интервале. Жесткое соединение узлов данного устройства приводит к осложнениям при заклинивании в неровных участках скважины, а следовательно, высоким рискам потери устройства.
Для преодоления проблем, связанных с измерением напряжений методами направленного разрыва, в гл.2 предложена новая методика, основанная на комплексном использовании гидроразрыва и деформационных измерений, выполняемых устройством направленного разрыва [80]. Математическая постановка задачи при использовании направленного нагружения
При формировании на стенке скважины трех и более трещин для избирательной оценки давлений открытия отдельных трещин на втором этапе измерения напряжений предложено применять направленное одноосное нагружение стенок скважины с помощью специальной распорной установки [80], препятствующей контакту рабочей жидкости со средой. Преимущества предлагаемого способа состоят в том, что система трещин уже сформирована на первом этапе, и только раскрываются существующие трещины с помощью устройства распорного нагруже-ния. В связи с этим появляется возможность проводить многократные повторные измерения в одной и той же скважине. Рассматривается вопрос чувствительности в определении ориентации трещины гидроразрыва системой одноосного нагружения. Под чувствительностью понимается возможная погрешность в определении азимутального угла. Теоретическая оценка погрешности рассчитывается путем задания конкретного значения раскрытия трещин на контуре скважины (достаточного, чтобы пренебречь раскрытием естественных микротрещин) при различных углах поворота, и определения давления необходимого для раскрытия трещины на заданную величину. При раскрытии трещин их берега считаем свободными от напряжений. При изменении х0 контролируется раскрытие [v] на устройстве направленного нагружения.
Требуется ответить на вопрос: можно ли, используя устройства распорного нагружения и наличие только двух трещин, получить информацию о параметрах внешнего поля сжатия – min, max, ( – угол между направлением действия max и осью Ох).
Рассмотрим две радиально симметричные, тонкие, эллиптические в сечении трещины длиной L каждая, берущие начало вдоль образующих цилиндрической поверхности неограниченно длинной скважины (rw - радиус скважины, см), ось которой совпадает с направлением одного из главных напряжений v (рис. 53). Пусть эти трещины ориентированы под углом [3 к направлению действия другого главного напряжения тах (тах тт), а их берега и контур скважины равномерно нагружены жидкостью под давлением PL (МПа). Считаем, что эта жидкость не проникает в окружающую горную породу, поровое давление в которой неизменно равно P0 (МПа).
Алгоритм определения параметров внешнего поля при использовании устройства с изолирующей оболочкой
На рисунке процесс развития трещины разбит на несколько этапов, что позволяет проследить характерные особенности роста трещины. Наличие информации о временах прохождения трещины через датчики, находящиеся на различном удалении от отверстия позволяет грубо оценить скорость развития трещины при таком типе нагружения. Так как расстояние между датчиками является известной величиной и составляет 50мм, то, исходя из разницы времени прохождения трещины от датчика к датчику или от момента инициации трещины до первого датчика, среднюю скорость развития трещины можно оценить как 300-350м/с. Эта оценка является грубой, так как малый размер образца горной породы не позволяет оценить скорость роста трещины на достаточном удалении от отверстия, когда трещина предположительно стабилизируется. Кроме того, данная оценка выполнена в предположении, что трещина развивается прямолинейно.
Для более полного понимания пространственного распространения трещины были выполнены эксперименты на образцах горных пород большого объема. Задача экс 119 перимента состояла в исследовании поведения трещины, создаваемой устройством направленного разрыва в образце пород, масштабные параметры которого значительно превышают диаметр скважины. Пространственное поведение трещины является важным аспектом при попытках оценки напряженного состояния массива горных пород, так как в зависимости от геометрии формируемой трещины ряд предположений, лежащих в основе измерения напряжений данным методом, оказывается верным или неверным.
Оборудование: Кубический образец горной породы размерами 700 800 800мм (рис. 76, 77), датчики разрыва (тонкостенные электроды, содержащие угольный порошок внутри), датчики линейных перемещений (MS-30 Megaton с точностью измерения до 1мкм), гидравлическая система (емкость с рабочей жидкостью – клапан сброса давления – гидравлический ручной насос – клапан отсекатель – пресс-расходомер – клапан отсекатель – шланги высокого давления – устройств направленного разрыва), манометры, датчики давления (ЛХ-412), устройство направленного разрыва, аналогово-цифровой преобразователь, персональный компьютер.
Фотография стенда кубического образца породы с отверстием без внешней нагрузки. Схема установки: Кубический образец горной породы размерами 700 800 800мм помещен в жесткую металлическую раму. В образце пробурено горизонтальное отверстие по центру диаметром 105мм. В образец заранее помещены датчики разры 120 ва, на расстоянии 50 мм от края пробуренного отверстия – рис. 78 и далее с интервалом 50 50мм вплоть до боковой стенки образца. Общее число используемых датчиков 24 штуки.
Схема размещения датчиков разрыва и датчиков перемещений на испытуемом образце. На верхней свободной горизонтальной поверхности расположены датчики линейных перемещений (1 на рис. 78). Датчики позволяют измерять вертикальные смещения верхней горизонтальной поверхности образца, вызванные ростом и раскрытием берегов трещины. Первый датчик расположен строго над серединой отверстия, остальные с интервалом 100 мм в сторону перпендикулярно оси отверстия. Всего использовалось четыре датчика линейных перемещений – рис. 79. Так же один датчик располагался у края отверстия для фиксирования момента разрыва и, следовательно, более точной оценки давления разрыва. 121 Рис. 79. Фотография стенда с датчиками перемещений. Процедура проведения эксперимента: 1) Устройство направленного разрыва помещалось в отверстие в кубическом образце горных пород так, что щели между нагружающими полуцилиндрами располагались в горизонтальной плоскости; 2) На концы датчиков разрыва подается электрический сигнал; 3) Используя ручной гидравлический насос, система устройства направленного разрыва наполнялась рабочей жидкостью вплоть до соприкосновения нагружающих полуцилиндрических оболочек устройства со стенкой отверстия, что фиксировалось по росту давления. Краном-отсекателем изолировалась часть гидравлической системы, расположенная после ручного насоса (при этом пресс-расходомер был полностью наполнен жидкостью);
4) Дальнейшее повышение давления (нагнетание жидкости) в рабочей системе устройства производилось пресс-расходомером с фиксированием объема закаченной жидкости. Рост давления приводит к дальнейшему раздвижению нагружающих полуцилиндров, а, следовательно, образованию трещины в горизонтальной плоскости; 5) Фиксировалось давление и объем жидкости, необходимые для образования 122 трещины, момент инициации трещины. Развитие трещины и ее прохождение через датчики разрыва фиксировалось по прекращению получения сигнала электрического тока на обратных концах датчиков. Вертикальные смещения верхней горизонтальной поверхности образца в процессе развития трещины также были зафиксированы.
Важным результатом является то, что в таких условиях трещина сформировалась в горизонтальном направлении и в процессе развития практически не отклонялась от горизонтальной плоскости. В результате эксперимента получен следующий объем данных: а) давление образования трещины 90атм. и абсолютное время ее инициации, а также объем жидкости, необходимый для ее образования, б) относительное время прохождения трещины через датчики разрыва, находящихся на различном расстоянии от отверстия и соответствующие давления, в) вертикальные смещения верхней поверхности образца во времени, вызванные ростом и раскрытием трещины.
Рис. 80. Результатм ы измерения датчиками перемещений на внешней поверхности образца. Использование этих данных на ряду с относительными временами прохождения трещины через различно расположенные датчики разрыва позволяет грубо оценить скорость развития трещины 300м/с. Кроме того, весь массив этих данных позволяет понять пространственное развитие трещины в образце в процессе нагружения – рис. 81 и сравнить их с результатами математического моделирования, выполненного методом граничных элементов.
Рис. 81. Развитие трещины в процессе нагружения устройством направленного разрыва (по измеренным данным). Данная упрощенная математическая модель, с которой производилось сравнение полученных экспериментальных данных, представляет собой упругую, изотропную плоскость, на нижней границе плоскости действует усилие, как показано на рис. 82. Приложение усилия ведет к развитию трещины в направлении, перпендикулярном прикладываемому усилию. Определяются вертикальные смещения верхней границы плоскости в результате роста трещины. На рис. 83 приведены результаты численных расчетов на базе данной модели.
Создание самостоятельного, автономного комплекса, основанного на предложенных комплексных методах (совместное использование измерительного гидроразрыва и деформационных измерений) измерения напряженного состояния является конечной и главной целью исследования по данной тематике. Кроме того, необходимо формирование четкого алгоритма измерения напряжений с использованием данных методик в полевых условиях. На рис. 84 ниже представлены предварительные чертежи устройств, предназначенных для скважинных массированных измерений. Процесс проведения тестов в полевых условиях подробно описан в последующей главе. Формирование законченного комплекса способного самостоятельно проводить измерения напряженного состояния массива, механических свойств горных пород является главной задачей автора и всего научного коллектива и реализуется в рамках выполняемых научных исследований.
Похожие диссертации на Обоснование способа оценки компонентов напряженного состояния массива горных пород по деформациям системы "скважина - трещина гидроразрыва"
