Аналитическая модель роста трещин при импульсном гидродинамическом воздействии на угольный пласт Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

- © Г.И. Коршунов, Е.П. Ютяев,

A.C. Серегин, П.И. Афанасьев, И.В. Курта, 2013

Г.И. Коршунов, Е.П. Ютяев, А.С. Серегин, П.И. Афанасьев, И.В. Курта

АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РОСТА ТРЕЩИН ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ

Предложен метод, определяющий параметры роста трещин, при гидроимпульсном воздействии на угольный пласт. Данный расчет позволяет оценить размеры получаемых трещин и повысить газовую проницаемость угольного пласта при заблаговременной дегазации.

Ключевые слова: гидроимпульсное воздействие, параметры трещины, дегазация, угольный пласт, проницаемость.

Одной из главных задач при заблаговременной дегазации является повышение газовой проницаемости угольного пласта и вмещающих пород. Для создания проницаемых зон в Горном Университете предлагается гидродинамической способ обработки угольного пласта, в частности им-пульсно-волновое воздействие с помощью скважин, пробуренных с поверхности до глубины обрабатываемого пласта [5].

Увеличение размеров трещин обуславливается усталостным разрушением, под действием напряжений возникающих в процессе многократного воздействия жидкости на угольный пласт. Величины напряжений определяются с учетом паспорта прочности угольного массива в диапазоне значений от предела упругости до предела прочности угольного пласта.

В основе технологии лежит создание гидравлических ударов на устье скважины с созданием в призабойной зоне регулярных разнонаправленных импульсов давления. Периодическое приложение давления увеличивает размеры трещин за счет регулярного упругого деформирования. Поэтому необхо-

димо определить размеры образующихся трещин при данном способе нагружения.

При импульсной нагрузке на угольный пласт, приращение длины трещины &/ за время & воздействия можно определить из выражения [4]: Л !0

V =-= V (1 ——)

тр шах V / '

тр

где \шах — максимальная скорость роста трещины; 10 —

первоначальная длина трещины; 1тр = 10 + А/ — конечная

длина трещины, А/ — приращение длины трещины за один цикл, Vтр — скорость роста трещины.

После интегрирования получим нелинейное уравнение, решением которого определяется приращение длины трещины за один цикл:

1П(А/) 1о +А/ = Vшaх Х ,

где X — время воздействия гидроимпульса на пласт, которое определяется глубиной залегания пласта, деформируемостью стенок обсадной трубы, по которой движется гидроудар.

Скорость роста трещины принимается равной скорости движения жидкости в трещине и определяется из выражения согласно работы [3]:

V (г £) = Рт ^

% ' р 4аг3Ь

2

X ¡=1

I

п=0

2rd \ '1 ()

с) I

£ е

^ I.

_ аХ е

1 (a^/^2Г)

+

где Рт — давление жидкости в скважине, гс — радиус скважины, р- плотность воды, г — текущая длина трещины, а = 6у/w2 : V — кинематический коэффициент вязкости; ^ — ширина раскрытия трещины, к — высота трещины, принимаемая равной раскрытию трещины. =(2%Я + г - (2% + \)гс)/с ,

Х2 =( 2 Я( л + 1) -г -(2 я-1) гс Ус : с — скорость звука в воде, Я -

* ■ 1,1 = 1 расстояние до вершины трещины. о, =•

[-1,1 = 2.

Таким образом, имеются начальные параметры для расчета первого цикла. Полученную величину приращение длины трещины за первый цикл суммируем к первоначальной длине трещины, затем повторяется расчет для последующего цикла. С ростом длины трещины уменьшается скорость ее роста, поэтому количество циклов нагружения повторяем до

V = 0 .

тах

Ширина раскрытия трещины принята равной 0,001 м, начальная длина составляла 0,001 м, давление на зумпфе скважины 19,5 МПа. Были получены расчетные значения размеров трещин, которые приведенные в табл. 1.

На рис. 1 приводится график, показывающий характер изменения длины трещины от количества циклов нагружения при 19,5 МПа и 25 МПа.

Таблица 1

Основные параметры гидроудара

Номер шаг Рт , МПа А , м 1тр , М

1 19,5 2,3-10-6 10-3

2000 19,5 5,03-10-4 8,5-10-2

5000 19,5 7,5-10-3 10

7200 19,5 6,4-10-3 26

4000 Число ЦИКЛОЕ

Рис. 1. Расчетная зависимость между длиной трещины и числом циклов нагружения

0.Ü1

^ Ü.ÜÜ8

0.006

0.Ü04

Й 0.002

О

S / ........../.... -У \ ч ч

i ! ......../....... .....> 4

; i / ...../.......f

/ г i ..Л....../ .... 19,5 МПа 25 МПа

у / j/

2000

4000

6000

8000

Число циклов

Рис. 2. Расчетная зависимость между приращением длины трещины и числом циклов нагружения

Из графика видно (рис. 1), что рост трещины происходит не сразу, чтобы трещина имела размеры порядка десятка метров необходимо выполнить значительное число циклов (более половины от общего числа циклов).

Анализируя расчетные данные можно отметить, что до определенного числа циклов происходит рост величины приращения длины трещины, а затем ее уменьшение (рис. 2). При данной технологии создания гидроудара достаточно сложно получить большой диапазон величин времени фазы сжатия, поскольку фаза сжатия будет зависеть от длины труб долива.

Минимальная длина труб долива согласно правилам безопасности составляет 10 м, а максимальная длина ограничивается напряжениями, обеспечивающими усталостный рост трещин.

Вывод

Таким образом, разработана модель определяющая параметры роста трещин при импульсном гидродинамическом воздействии, позволяющая рассчитать длину трещины усталостного разрушения с учетом параметров гидродинамического воздействия, количества циклов нагружения, физико-механическими свойствами обрабатываемого пласта и флюида, протекающего по трещине.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коршунов Г.И., Серегин A.C., Шипулин A.B. «Увеличение газовой проницаемости угля путем импульсно-волнового воздействия через скважины» \\ «Газовая промышленность» 672/2012, с.46-47, М. 2012

2. Коршунов Г.И., Пальцев А.И., Серегин A.C., Шипулин A.B. «Создание блочно-трещиноватой структуры в угольном пласте при гидродинамическом воздействии с помощью импульсно-волнового воздействия» ГИАБ №4, С.109-113, М. 2012

3. Михалюк A.B., Войтенко, Ю.И. Импульсный разрыв породы \ АН Украины, Ин-т геофизики им. С. И. Субботина, 203с. Киев 1991

4. Менжулин М.Г. Экологическая безопасность геодинамических процессов в решении задач освоения и эксплуатации недр: учеб. пособие / М.Г.Менжулин, В.В.Софронов. — СПб.: СПбГГИ(ТУ), 2007. — 113 с.

5. Коршунов Г.И., Пальцев A.M., Серегин A.C., Шипулин A.B. Создание блочно-трещиноватой структуры в угольном пласте при гидродинамическом воздействии с помощью импульсно-волнового воздействия // ГИАБ №4, С.109-113, М. 2012. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Коршунов Г.И. — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, Aфанаcьев П.И. — кандидат технических наук, заведующий лабораторией, Курта И.В. — ассистент кафедры, Серегин A.C. — аспирант,

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», [email protected], Ютяев Е.П. — кандидат технических наук, генеральный директор ОАО «СУ-ЭК-Кузбасс», [email protected]