CC BY
39
УДК 622.234.573+622.276.652
ДИАГНОСТИКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ НАПРАВЛЕННОГО ГИДРОРАЗРЫВА
Сергей Владимирович Сердюков
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, зав. лабораторией, тел. (913)745-30-03, e-mail: [email protected]
Михаил Владимирович Курленя
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, академик РАН, главный научный сотрудник, тел. (383)217-01-95, e-mail: [email protected]
Рассмотрены вопросы определения напряжений в породном массиве методом направленного гидроразрыва. Приведен анализ информативности получаемых результатов при использовании в расчетных схемах давлений открытия и закрытия создаваемых трещин. Предложены пути повышения информативности определения напряжений методом гидроразрыва.
Ключевые слова: массив горных пород, метод гидроразрыва, напряженное состояние, точность оценки, скважинное оборудование
DIAGNOSTICS OF STRESS STATE OF A ROCK MASS BY THE DIRECTED HYDROFRACTURING METHOD
Sergey V. Serdyukov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, D. Sc., Head of Laboratory of Physical Methods of Influence on Rock Mass, tel. (913)745-30-03, e-mail: [email protected]
Mikhail V. Kurlenya
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, D. Sc., Academician of Russian Academy of Sciences, Principal Researcher, tel. (383)217-01-95, e-mail: [email protected]
The authors consider evaluation of stresses in a rock mass by the directed hydrofracturing method. The sufficiency of results obtained by using opening and closing of new-formed fracturing in interpretation schemes are analyzed and reported. The ways to improve information value of stress evaluation by the hydrofracturing method are proposed.
Key words: rock mass, hydrofracturing method, stress state, estimate precision, downhole equipment.
Диагностика напряженного состояния массива горных пород является обязательным элементом инженерных изысканий при строительстве крупных подземных сооружений, плотин, атомных электростанций и др. [1-2]. Составной частью изысканий является определение напряжений, действующих в глубине породного массива. Для решения задачи обычно используют метод гидроразрыва. Основной объем изысканий выполняют в вертикальных необсаженных скважинах глубиной до 1-1.5 км, пробурен-
ных с дневной поверхности. Гидроразрыв выполняют стандартным способом, при котором в изолированный интервал скважины длиной 1-3 м нагнетают под давлением маловязкую жидкость, формируют тем самым в породном массиве трещину и по характерным точкам графика давления жидкости от времени определяют напряжения в породе. Такой подход легко применим в глубоких скважинах, не требует знания деформационных свойств горных пород для оценки их напряженного состояния.
При выполнении гидроразрыва стандартным способом получают трещину вдоль скважины (продольный тип) или под небольшим углом к ее оси в направлении максимального сжатия контура скважины вмещающими породами [3]. Давление запирания такой трещины дает напряжение в породе, действующее перпендикулярно плоскости разрыва [3]. Очевидно, что получаемой информации недостаточно для определения всех компонент напряженного состояния породного массива в пункте наблюдения.
Для увеличения числа определяемых компонент используют следующие допущения и подходы:
1) полагают, что вертикальное горное давление является одним из главных напряжений в породном массиве и равно весу вышележащих пород;
2) считают, что давление раскрытия продольной трещины зависит от концентрации напряжений на стенке скважины, и по нему можно определить напряжение, действующее вдоль плоскости разрыва перпендикулярно оси скважины.
Экспериментальные данные показывают, что вертикальное горное давление не всегда равно весу вышележащих пород, в частности, из-за складчатости пород и связанного с нею перераспределения вертикального давления (сводовые эффекты). Также установлено, что при закачке рабочей жидкости в интервал разрыва она заполняет трещину до начала ее раскрытия [4 - 5]. Из-за этого давление раскрытия трещины равно напряжению в породе, действующему перпендикулярно плоскости разрыва. Определить напряжение, действующее вдоль плоскости разрыва, не удается. В результате, метод гидроразрыва в стандартном исполнении дает в вертикальной скважине только одну компоненту напряженного состояния - минимальное горизонтальное напряжение. Проблему малой информативности гидроразрыва решают за счет проведения гидроразрыва с использованием пластырных оболочек, препятствующих проникновению рабочей жидкости в трещину [6], комплексирования с другими методами [7], проведения гидроразрывов в нескольких скважинах различной ориентации [8]. Что касается последнего из указанных подходов, то он практически неприменим при большом удалении пункта наблюдения от дневной поверхности. Технически сложно группировать наблюдения, проводимые в нескольких скважинах, в компактной области породного массива, подлежащей исследованию.
В настоящей статье мы рассмотрим другую возможность повышения информативности гидроразрыва - создание в скважине нескольких трещин гидроразрыва различной ориентации. Ограничимся случаем вертикальной необсаженной скважины, представляющий наибольший практический интерес для инженерных изысканий. Рассмотрим две отдельные задачи: определение вертикального горного давления и максимального горизонтального напряжения.
1. Вертикальное горное давление. Чтобы определить его величину в вертикальной скважине с помощью гидроразрыва необходимо создать трещину поперек скважины. Известные способы получения таких трещин основаны на щелевых инициаторах, создаваемых струйными или механическими щелеобразователями. Отметим, что приме-
нение щелевого способа в глубоких скважинах возможно, но технически сложно, ведет к существенному удорожанию работ.
В работах [9, 10] нами предложен и исследован безщелевой способ гидроразрыва, в котором направление развития трещины поперек скважины задается без предварительного разрушения пород за счет изменения их напряженного состояния [11]. Для этого герметизаторы устройства гидроразрыва закрепляют анкерами [12]. Под действием давления рабочей жидкости на герметизаторы на контакте анкеров с горной породой возникают растягивающие касательные нагружения, способствующие формированию поперечной трещины. По давлению запирания Psh такой трещины можно определить значение вертикального горного давления av. Влияние размеров трещины на точность определения напряжений по давлению запирания рассмотрено в работе [13]. При радиусе трещины 5 м и вертикальном горном давлении более 30 МПа погрешность измерений составляет менее 3%. Для протяженной поперечной трещины с достаточной для практики точностью справедливо □ PSh.
2. Определение горизонтальных напряжений. Существует два реалистичных способа определения максимального горизонтального напряжения методом гидроразрыва:
- по данным измерения давлений раскрытия нескольких продольных трещин различной ориентации, создаваемых одноосным нагружением интервала гидроразрыва через пластырную оболочку;
- по давлению запирания трещины, созданной по стандартной методике гидроразрыва, и давлению ее раскрытия в отсутствии проникновения рабочей жидкости в трещину и породу.
Не останавливаясь подробно на первом способе, отметим, что известны две технологии «сухого разрыва» (sleeve fracture): метод единичной трещины или SF (single fracture) и метод двойной трещины или DF (double fracture). В методе SF [6] с помощью устройства направленного нагружения создают систему протяженных трещин различной ориентации и измеряют давления их раскрытия. В методе DF [14] скважину нагружают высоким давлением так, чтобы в интервале разрыва возникли две ортогональные трещины. В работе [15] отмечается, что в полевых условиях методом DF не удалось создать две ортогональные трещины, несмотря на успешные лабораторные испытания разработанного устройства разрыва. Отметим, что погрешность определения напряжений методами «сухого разрыва» возрастает с увеличением неравномерности внешнего поля напряжений.
Рассмотрим второй из указанных способов, в котором используются данные измерений давления запирания трещины гидроразрыва, созданной по стандартной методике, и давления ее раскрытия без проникновения жидкости в раскрываемую трещину.
Следует заметить, что для определения азимута полученной продольной трещины обычно используют специальные импрессионные пакеры, представляющие собой пластырную оболочку с внешним тонким мягким слоем. При нагружении интервала разрыва импрессионным пакером этот слой дает отпечаток стенки скважины. Метод очень эффективен, поскольку мягкий слой затекает в раскрываемую протяженную трещину гидроразрыва, что позволяет уверенно выделять ее след в импрессионном отпечатке на фоне нарушений шероховатой поверхности скважины.
Для снижения числа технологических операций нами предлагается совместить импрессионные сследования с проведением прессиометрических испытаний для определения не только азимута трещины гидроразрыва, но и ее давления раскрытия, а также деформационных свойств горных пород in-situ. Для этого импрессионный пакер
предлагается оснастить ранее разработанным нами трехкомпонентным измерителем деформации контура скважины [16].
В целом, предлагаемая методика диагностики напряженного состояния породного массива при инженерных изысканиях с использованием вертикальных скважин, а также в шахтных условиях выглядит следующим образом:
1) на первом этапа специальным устройством направленного гидроразрыва создают трещину поперек скважины. В процессе работ регистрируют давление запирания получаемой трещины по которому определяют величину вертикального горного давления в пункте наблюдений ^ - _ ^л-л ;
2) на втором этапе стандартным устройством в интервале, примыкающем к интервалу ранее проведенного продольного гидроразрыва, проводят продольный гидроразрыв и регистрируют давление запирания получаемой продольной трещины Psv , по которому определяют величину минимального горизонтального напряжения он в пункте наблюдений ан 0 PSv ;
3) на третьем этапе в скважину спускают импрессионный пакер со встроенным трехкомпонентным деформометром и измерителем угла поворота (азимута) прибора. В импрессионном пакере постепенно повышают давление, регистрируя показания де-формометров. В процессе испытаний измеряют поперечные размеры скважины вдоль
трех ее диаметров D, D, А, развернутых друг относительно друга на 120°. Обрабатывая полученные данные определяют давление раскрытия трещины Pr, а также модуль Юнга и коэффициент Пуассона пород [17]. По ориентации импрессионного отпечатка следа трещины и показаниям измерителя угла поворота прибора определяют азимут трещины, дающий направление действия максимального горизонтального
напряжения. Его величину вычисляют по формуле он = 3Psv ~ Pr.
Заключение. Реализация предлагаемой методики предусматривает выполнение трех спуско-подъемных операций в скважине и использование помимо стандартного устройства разрыва дополнительного устройства направленного (поперечного) гидроразрыва и модифицированного импрессионного пакера, совмещенного с трехкомпонентным деформометром оригинальной конструкции.
Предлагаемая методика диагностики напряженного состояния массива горных пород с использованием направленного гидроразрыва обеспечивает повышение информативности измерений, позволяет определять в глубоких вертикальных скважинах напряженное состояние породного массива и его упругие свойства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Попов C. Н., Курленя М. В. Диагностика напряженного состояния породных массивов на стадии разведочных работ и строительства горного предприятия // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1976. - С. 16.
2. Martin C. D. Characterizing in situ stress domains at the AECL Underground Research Laboratory // Canadian Geotechnical Journal. - 1990. - Т. 27. - №. 5. - С. 631-646.
3. Павлов В.А., Янкайте А.В., Сердюков С.В. Развитие метода гидроразрыва применительно к оценке напряженного состояния проницаемых горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - №12. - С. 249-255.
4. Ito T., Igarashi A., Ito H., and Sano O. Problem for the maximum stress estimation in hy-drofracturing method and its potential solution, Proc. US Rock Mech. Symp., 2005. — ARMA/USRMS 05-862 (CD-ROM).
5. Курленя М.В., Патутин А.В., Рыбалкин Л.А., Сердюков С.В., Шилова Т.В. Лабораторные исследования направленного гидроразрыва с касательным нагружением стенок скважины //Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. -2016. -№3. -Т.1. -С.103-107
6. Serata S., Single - fracture method and apparatus for automatic determination of underground stress state and material properties // United States Patent - № 7513167 B1, Date of patent: Apr.7, 2009.
7. Мартынюк П. А., Павлов В. А., Сердюков С. В. Метод оценки напряженного состояния массива горных пород по деформационной характеристике прискважинной зоны, содержащей трещину гидроразрыва // ФТПРПИ. — 2011. — № 3.
8. Cornet F. H., Valette B. In-situ stress determination from hydraulic injection test data, J. Geophys. Res., 1984, Vol. 89. — P. 11527 - 11537.
9. Шилова Т.В., Сердюков С.В. Защита действующих дегазационных скважин от поступления воздуха из горных выработок через вмещающие породы // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2015. — № 5. - С. 179-186.
10. Сердюков, С. В. Технический комплекс для множественного локального гидроразрыва породного массива в необсаженных скважинах / С. В. Сердюков, Н.В. Дегтярева, А.В. Патутин, Т.В. Шилова // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -2016. -№6. - С.180-186.
11. Сердюков С. В. Экспериментальная проверка способа направленного гидроразрыва горных пород / С. В. Сердюков, М.В. Курленя, А.В. Патутин, Л.А. Рыбалкин, Т. В. Шилова // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -2016. -№4. - С.3-11.
12. Курленя, М.В. Лабораторные исследования направленного гидроразрыва с касательным нагружением стенок скважины / М.В. Курленя, А.В. Патутин, Л.А. Рыбалкин, С.В. Сердюков, Т.В. Шилова //Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. -2016. -№3. -Т.1. -С.103-107.
13. Сердюков С. В., Курленя М.В., Патутин А.В. К вопросу об измерении напряжений в породном массиве методом гидроразрыва // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -2016. -№6. - С.6-14.
14. Abou-Sayed A. S., Brechtel C. E. and Clifton R. J. In Situ Stress Determination by Hy-drofracturing: A Fracture Mechanics Approach // J. Geophys. Res., 83. -1978.
15. Ito T., Sato A., Hayashi K. Laboratory and field verification of a new approach to stress measurements using a dilatometer tool // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Vol. №38 - 2001.
16. Сердюков С.В., Дегтярева Н.В., Патутин А.В., Рыбалкин Л.А. Скважинный прецизионный дилатометр с интегрированной системой транспортирования вдоль ствола скважины // ФТПРПИ. - 2015. - № 4. - С. 198-204.
17. Курленя М.В., Сердюков С.В., Патутин А.В. Определение деформационных свойств горных пород по данным прессиометрических испытаний в интервале гидроразрыва скважины // ФТПРПИ. - 2015. - № 4. - С. 96-102.
© С. В. Сердюков, М. В. Курленя, 2017
