CC BY
79
УСТРОЙСТВО НАПРАВЛЕННОГО ГИДРОРАЗРЫВА МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД И ЕГО СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Андрей Владимирович Патутин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, аспирант, тел. (383)335-96-42, e-mail: [email protected]
Татьяна Викторовна Шилова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, аспирант, тел. (383)335-96-42, e-mail: [email protected]
Сергей Владимирович Сердюков
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией физических методов воздействия на массив горных пород, тел. (383)3359642, e-mail: [email protected]
Приведены результаты стендовых испытаний разработанного образца оборудования для гидроразрыва угольных пластов. В ходе проведения экспериментов проверена работа двух независимых гидравлических систем скважинного устройства под давлением. Установлено, что падение давления в пакерах и интервале разрыва в течение 60 минут не превышает погрешности измерений манометрами; герметичность межпакерного интервала не нарушается при всех режимах работы оборудования.
Ключевые слова: направленный гидроразрыв, дегазация, метан угольных пластов, измерение напряжений.
DIRECTIONAL HYDRAULIC FRACTURING EQUIPMENT AND ITS STAND TEST Andrey V. Patutin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia,
Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Postgraduate Student, tel. (383)335-96-42, e-mail:
Tatiana V. Shilova
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia,
Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Postgraduate Student, tel. (383)335-96-42, e-mail:
Sergey V. Serdyukov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Head of Laboratory for Physical Treatment of Rock Mass, tel. (383)335-96-42, e-mail: [email protected]
The results of stand testing of hydraulic fracturing equipment for coal seams are presented. Two independent pressure lines were checked to ensure proper operation of the downhole tool. It has been found that the pressure drop in two packers and in the fracturing interval within 60 minutes does not exceed the measurement error of gauges; the tightness of isolated interval between two packers is not compromised at all modes of operation.
Key words: directional hydraulic fracturing, degassing, coal bed methane, stress measurements.
Способ гидравлического разрыва широко используется в горном деле для интенсификации дегазации угольных пластов, разгрузки массива от сжимающих напряжений, обрушения горных пород за счет формирования
направленных плоскостей ослабления, оценки напряженно-деформированного состояния[1, 2].
В ИГД СО РАН создан экспериментальный образец оборудования для проведения гидроразрыва угольных пластов, который включает в себя устройства разрыва и направленного нагружения стенок скважины, трубопровод, устройство определения ориентации следа трещины, систему управления.
На рис. 1 представлено устройство разрыва, которое состоит из нижнего и верхнего пакеров, инжекторного пакера, а также из инжектора и деталей удлинителя.
5 6 1 2 3 7 4
Рис. 1. Общий вид устройства разрыва:
1 — инжектор, 2 — удлинитель, 3 — муфта удлинителя, 4 — заглушка, 5 — верхний пакер, 6 — инжекторный пакер, 7 — нижний пакер
Внутренний канал верхнего пакера предназначен для подачи гидравлического масла или азота под давлением до 35 МПа в узлы устройства разрыва, расположенные дальше от устья скважины. Кольцевой канал между внешней и внутренней трубами используется для подачи жидкости разрыва под давлением до 25 МПа в интервал разрыва (межпакерный интервал) через инжектор. Нижний пакер содержит только одну трубу, внутреннее пространство которой соединено через отверстие с пакерной оболочкой.
Конструкция пакеров обеспечивает возможность последовательного соединения нижних или верхних секций пакеров между собой длиной до 4,5 м. Для наращивания длины верхнего пакера в качестве внешних (ближних к устью скважины) секций используют верхние пакеры (один и более), а в качестве внутренней секции, соединенной с инжектором — инжекторный пакер (только один).Если используется простые односекционные пакеры, то в качестве внешнего пакера используется только инжекторный пакер. При соединении нижних пакеров в одну систему заглушка устанавливается на нижней секции последнего пакера.
Устройство направленного нагружения стенок скважины (скважинный домкрат) применяется для предварительного создания инициирующей продольной трещины в требуемом направлении и может быть применено как
отдельно, так и в составе устройства разрыва. В последнем случае его размещают в середине межпакерного интервала между секциями удлинителя вместо одной из его соединительных муфт.
Скважинный трубопровод имеет коаксиальную двухлинейную конструкцию. Внутренняя линия с проходным диаметром 6 мм служит для подачи гидравлического масла (азота) в пакеры и выдерживает давление 45 МПа. Внешняя линия, сформированная межтрубным пространством трубопровода, имеет условный диаметр проходного сечения 18 мм и служит для подачи жидкости разрыва под давлением до 35 МПа. В случае необходимости использования сложных двухкомпонентных составов, требующих смешения непосредственно в устройстве разрыва, возможно подключение пакеров к отдельной гибкой линии высокого давления. Трубопровод выполнен в виде отдельных однотипных секций длиной 2 м и массой 4,4 кг каждая.
Импрессионный пакер представляет собой дополнительное устройство, предназначенное для регистрации трещин (в т.ч. трещины гидроразрыва) на стенке скважины. В качестве чувствительного элемента использована пакерная оболочка с дополнительным слоем мягкой невулканизированной резины толщиной несколько миллиметров, что позволяет определить направленность формируемых трещин по отпечатку.
Система управления экспериментального образца оборудования состоит из блока управления подачей жидкости гидроразрыва и гидравлического масла (азота) в пакеры при выполнении гидроразрыва. Особенностью системы является возможность подключения пневмогидроаккумуляторов для обеспечения высокого темпа нагнетания жидкости разрыва даже при работе с малопроизводительными насосами. Конструкция оборудования обеспечивает возможность работы с насосом УНИ-1 (УНР-2), применяемым в шахтных условиях для выполнения гидроразрывов на водной основе. Общий вид устройства разрыва в ходе стендовых испытаний приведен на рис. 2.
Стендовые испытания включали проверку следующих элементов:
1) герметичность двух независимых гидравлических линий подачи для пакеров и интервала разрыва;
2) герметичность подсистемы интервала разрыва при различной разнице давлений с пакерной подсистемой.
Устройство разрыва устанавливали в стальную трубу длиной 2 м и подключали к системе управления из комплекта объекта испытания. Система управления подключалась к насосу высокого давления с ручным приводом, обеспечивающего давление на выходе до 60 МПа.
С помощью указанного насоса в межпакерное пространство подавалось гидравлическое масло под давлением 12 МПа; давление в пакерах составляло 15 МПа. Измерение давлений осуществляется образцовыми манометрами М0250-600 с верхним пределом 60 МПа и погрешностью измерений ±0,1 МПа.
Рис. 2. Устройство разрыва в ходе стендовых испытаний.
После установления указанных давлений обе линии перекрывались соответствующими вентилями системы управления и в таком состоянии выдерживались в течение 1 часа с периодически снятием раз в 10 мин показателей манометров. Изменение давлений в ходе испытаний не превышало погрешности измерений манометрами. Таким образом, скважинное оборудование комплекса ЭОО выдержало испытания на герметичность под давлением.
Испытания герметичности подсистемы интервала разрыва при различной разнице давлений с пакерной подсистемой проводились по следующей схеме.
С помощью ручного насоса в интервал разрыва подавали гидравлическое масло под давлением. В первой серии испытаний в интервале разрыва устанавливали давление 10 МПа, во второй — 7 МПа.В каждой серии испытаний давление в пакерных элементах было выше на 3, 4, 5 МПа, чем в интервале разрыва. Давление измеряли с помощью манометров в начале и в конце каждого испытания с погрешностью ±0,1 МПа. В результате испытаний установлено, что герметичность межпакерного интервала не нарушается и находится в пределах погрешностей измерений.
Проведенные стендовые испытания показали, что разработанный образец оборудования может быть использован для проведения операции гидроразрыва в шахтных условиях.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №14-05-00629).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Клишин В. И., Курленя М. В. Создание оборудования для дегазации угольных пластов на принципе гидроразрыва горных пород // Уголь. - 2011. - № 10 (1027). - С. 3439.
2. Fairhurst C. Measurement of in situ rock stresses with particular reference to hydraulic fracturing // Rock Mechanics and Engineering Geology. - 1964. - Vol. 2. - P. 129-147.
© А. В. Патутин, Т. В. Шилова, С. В. Сердюков, 2014
