Міністерство праці та соціальної політики України

Національний науково-дослідний інститут охорони праці

Для службового користування Екз. №

Войтенко Юрій Іванович

УДК 622.276.6

Фізико-технічні основи

свердловинних геотехнологій з керованим

тріщиноутворенням

05.15.11 – Фізичні процеси гірничого виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному науково-дослідному інституті охорони праці Міністерства праці та соціальної політики України

Науковий консультант – доктор технічних наук, професор

Ткачук Костянтин Нифонтович, Національний науково-дослідний інститут охорони праці, заступник директора

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, ст. наук. співробітник Воробйов Віктор Данилович, Національний науково-дослідний інститут охорони праці, завідуючий лабораторією

доктор технічних наук, ст. наук. співробітник Петренко Володимир Дмитрович, Дніпропетровський державний технічний університет залізнодорожнього транспорту, завідуючий кафедрою

доктор технічних наук, ст. наук. співробітник Світлицький Віктор Михайлович, відкрите акціонерне товариство “Український нафтогазовий інститут”, завідуючий відділом

Провідна установа – Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра відкритих гірничих робіт (м. Кривий Ріг)

Захист відбудеться 22 лютого 2001 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.802.01 Національного науково-дослідного інституту охорони праці за адресою 04060, Україна, м. Київ, вул. Вавілових, 13

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного науково-дослідного інституту охорони праці, Україна, м. Київ, вул. Вавілових, 13

Автореферат розісланий 19 січня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Ковтун І.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Необхідність забезпечення економіки мінерально-сировинними і в першу чергу паливно-енергетичними ресурсами на етапі становлення України як самостійної незалежної держави набуває неабиякого значення особливо в зв'язку з поступовим вичерпуванням родовищ з сприятливими умовами розробки.

Враховуючи те, що основним структурним елементом в геотехнологічних системах розробки корисних копалин є свердловина, як засіб розкриття пласта, для її нормального функціонування, між ними потрібен надійний зв'язок, який забезпечується станом привибійної зони пласта.

Розмаїття гірничо-геологічних умов покладів корисних копалин і ускладнення процесів розробки і експлуатації родовищ привели до створення великої кількості технологій інтенсифікації гідродинамічних процесів в привибійній зоні геотехнологічної свердловини. Більшість родовищ природних вуглеводнів України характеризуються складними гірничо-геологічними умовами, а саме: відносно малопотужні рознесені по висоті свердловини продуктивні пласти, наявність границь розділу флюїдів, різкі відмінності фізико-механічних властивостей порід в сусідніх пластах, в тому числі в продуктивних тощо. Тому застосування навіть, таких потужних методів інтенсифікації видобутку корисних копалин, як гідророзрив, пороховий розрив пласта і торпедування свердловин не завжди дає позитивний ефект ( до 60негативних результатів), а в деяких випадках приводить до ускладнень і погіршення роботи свердловини, зокрема до збільшення дебітів нафтогазових свердловин по воді. Основною причиною цих негативних явищ є невідповідність технологій, які застосовуються і об'єктів застосування. Так при гідро- і пороховому розриві пласта часто відбувається некероване, неконтрольоване руйнування привибійної зони, розповсюдження тріщин по границям пластів, вихід тріщин в сусідні непродуктивні, водоносні, або газоносні пласти з появою перетоків і послідуючою необхідністю проведення ізоляційних робіт.

Розробка і впровадження паливно-окислювальних сумішей і рідких вибухових речовин для технологій внутрішньотріщинного горіння і вибуху були в свій час призупинені Держгірсьтехнаглядом СРСР із-за невдалих випробувань цих сумішей на свердловині, які закінчились загибеллю людей.

Застосування вибухового способу інтенсифікації видобутку нафти і газу з використанням фугасних торпед великої маси і ядерних зарядів припинилося із-за складного неекономічного і небезпечного комплексу робіт і побічних негативних наслідків, зокрема пов'язаних з ураженням обсадної колони.

В зв'язку з викладеним розробка імпульсних методів інтенсифікації гідродинамічних процесів навколо свердловини шляхом керованого розкриття і руйнування порід при видобутку твердих, рідких і газоподібних корисних копалин для підвищення продуктивності свердловин в умовах малопотужних продуктивних пластів поблизу границь розділу порід і флюїдів з використанням енергії горіння і вибуху є актуальною науково-технічною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з Держпрограмами наукових досліджень НАН України і ННДІОП (№ ДР тем: 81026048, 019U006697), науково-технічними проектами Міннауки і нових технологій України, а також замовленнями підприємств нафтогазової галузі України і Росії і представників колишнього ВПК СРСР, в яких автор був відповідальним виконавцем, або науковим керівником.

Положення роботи, зв'язані з розробкою ефективних методів інтенсифікації видобутку нафти і газу на родовищах України ввійшли складовою частиною до затвердженої урядом Національної програми “Нафта і газ України до 2010 року”.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягає в підвищенні ефективності свердловинних геотехнологій на основі вторинного розкриття, розриву і торпедування продуктивних пластів в геотехнологічних свердловинах.

Для досягнення зазначеної мети сформульовані наступні задачі досліджень:

1) обґрунтування математичних моделей для визначення умов утворення і розвитку радіальних і дископодібних тріщин при імпульсному нагнітанні рідини або газу в процесі горіння або вибуху свердловинного заряду;

2) дослідження руйнування і знеміцнення порід при кумулятивному пробиванні, слабких внутрішньосвердловинних і внутрішньотріщинних вибухах в тому числі – при наявності гірського тиску;

3) вивчення механізмів зміни властивостей порід з початковими дефектами (тріщинами) при підземному вибуху в зоні, що межує з областю макроруйнувань;

4) розробка ефективних імпульсних технологій інтенсифікації видобутку рідких, газоподібних та твердих корисних копалин методом свердловинної геотехнології з одночасним дотриманням безпеки прострільно-вибухових робіт;

5) натурне відпрацювання і дослідження ефективності розроблених методів інтенсифікації на об'єктах видобутку твердих, рідких і газоподібних корисних копалин.

Об'єкт дослідження – явище зменшення проникності, або низька природна проникність порід навколо свердловини і імпульсні методи її підвищення.

Предмет дослідження – зони підвищеної проникності порід пласта у вигляді тріщин, які утворюються на стінках свердловини і областей локального руйнування порід в масиві; деформування і руйнування обсадної колони свердловини при імпульсних навантаженнях.

Методи дослідження: аналітичні методи механіки руйнування і механіки суцільних середовищ для визначення умов виникнення і розповсюдження тріщин при горінні і слабких вибухах свердловинних зарядів, для оцінки областей локального руйнування порід і міцності заколонного цементу при підриванні свердловинних зарядів; експериментальні методи механіки руйнування, механіки деформівного тіла і гідрогазодинаміки для дослідження розповсюдження тріщин і зон розущільнення при горінні конденсованих горючих речовин, детонації газів і вибуху конденсованих зарядів в свердловині і тріщинах навколо неї, а також при високошвидкісному кумулятивному пробої; методи дослідження ефективності розроблених технологій і пристроїв в стендових і промислових умовах.

Наукова новизна одержаних результатів. 1. Вперше розроблені фізичні основи керування руйнуванням монолітних попередньо напружених порід при імпульсному газорозриві та при слабких вибухах, а також практичні шляхи спрямованим розкриттям, прострілюванням і розташуванням джерела енергії в околі зони розкриття і прострілювання; вдосконалена математична модель розвитку поодинокої тріщини в пласті при горінні свердловинного заряду на основі експериментальних даних по рельєфу берегів тріщини .

2. Вперше експериментально досліджено механіку імпульсного гідророзриву і газорозриву малопроникних і високопроникних пористих крихких і пластичних гірських порід. Встановлені режими руху газів, малов'язких і в'язких рідин в тріщинах при квазістатичному та імпульсному гідрогазорозриві (при горінні конденсованих і детонації газоподібних речовин в свердловині) .

3. Вперше експериментально встановлені особливості руйнування гірських порід в привибійній зоні свердловини при слабких вибухах (при менших, ніж при сильному вибуху швидкостях навантаження), в тому числі – в умовах гірського тиску.

4. Вперше експериментально встановлені закономірності руйнування і знеміцнення обмежених геоматеріалів і гірських порід при високошвидкісному пробиванні лінійними кумулятивними зарядами і внутрішньотріщинному вибуху.

5. Вперше доведена можливість зміни властивостей гірських порід в масиві під час підземного вибуху в зоні, що межує з областю руйнувань за рахунок локального підростання розмірів початкових тріщин в умовах суперпозицій хвиль стиснення (на довільних глибинах) і шляхом впливу фази розтягу у вибухових хвилях на початкові тріщини на невеликих глибинах (Н<400-600 м).

6. Розроблено інженерні методики розрахунку міцності обсадної колони і заколонного цементу при внутрішньосвердловинних вибухах і горінні в геотехнологічних свердловинах.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці багатостадійної вибухової технології руйнування і розущільнення крихких і квазікрихких порід і спрямованого контрольованого розкриття і розриву квазікрихких і пластичних гірських порід свердловинними зарядами і апаратами; запропоновані нові конструкції торпед, перфораторів і локалізаторів вибуху; виконано розрахункове обгрунтування конструкцій торпед, схем торпедування і параметрів вибухових робіт; розроблено розрахунковий апарат для оцінки міцності заколонного цементу в обсадних колонах свердловин при внутрішніх динамічних навантаженнях; розроблені і передані керівні документи по безпеці і ефективному використанню вибухових і вибухово-хімічних технологій в нафтогазових і нагнітальних свердловинах ВАТ “Укрнафта”.

Одержані нові наукові дані склали фізичні основи для визначення оптимальних параметрів імпульсних технологій дії на пласт на основі горіння і вибуху.

Новизна одержаних в роботі результатів підтвердженна 10 авторськими свідоцтвами і 2 патентами.

Запропоновані технології вибухово-прострільних робіт, розроблені у відповідності із виконанням плану впровадження нової техніки у нафтовидобувній галузі України, знайшли дослідно-промислове впровадження на родовищах нафтогазовидобувних підприємств України та Росії. Розроблена методика розрахунків параметрів вибухових робіт з врахуванням властивостей порід пласта використана при складені типового проекту торпедування нафтогазових і нагнітальних свердловин і впроваджена на родовищах підприємств “Надвірнанафтагаз”, “Охтирканафтагаз”, “Чернігівнафтагаз”, “Полтаванафтагаз“, “Бориславнафтагаз”, “Мамонтовнефть”, “Уренгойгазпром”, використана в “Інструкції по дилатансійному торпедуванні нафтогазових і нагнітальних свердловин” і стандарті підприємства на “Вибухово-хімічну технологію підвищення продуктивності нафтогазових свердловин”, прийнятими ВАТ “Укрнафта”, як керівні документи (акти, довідки і протоколи нарад про використання і об'єми впровадження технології торпедування свердловин № 9-35. 1/165 від 19.06. 1998 р., від 1.03.2000 р., від 8.01. 1998 р., від 12.12. 1997 р., від 21.01. 1997 р., від 30.10.1995 р., від 6.02. 1990 р.)

Технологія спрямованого імпульсного розкриття і газорозриву пласта із застосуванням струминних апаратів пройшла стендові випробування і передана замовнику ВО “Юганскнефтегаз”( акт про результати випробувань від 9.06.1998 р.).

Технологія знеміцнення і розкриття масивних залізобетонних об'єктів без буріння впроваджена при реконструкції сховищ паливно-мастильних матеріалів в/ч 29221 колишнього міністерства оборони СРСР і (акт щодо використання практичних рекомендацій і розробок від 8.06.1998 р) .

Фундаментальність проведених досліджень дозволяє застосувати розроблений апарат і знайдені науково-технічні рішення в інших областях науки і техніки: механіці гірських порід (міцність і стійкість підземних споруд при динамічних навантаженнях), механіці високошвидкісного співударяння і пробивання (аерокосмічна техніка), механіці руйнування наземних споруд і елементів конструкцій при внутрішніх імпульсних навантаженнях.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблено новий напрямок в технологіях імпульсних обробок привибійної зони нафтових, газових та інших геотехнологічних свердловин для підвищення їх продуктивності; отримано науково-технічні рішення при дослідженні і узагальненні фізичних основ руйнування і знеміцнення гірських порід в широкому діапазоні режимів динамічного навантаження стінок свердловини і тріщини горінням і вибухом газоподібних і конденсованих вибухових речовин, зокрема розвинутий напрямок в дослідженні розущільнення гірських порід при підземних вибухах, започаткований А.В. Михалюком.

Внесок дисертанта в розробку наукових результатів:

уточнення математичної моделі рівноважної тріщини гідророзриву і фізичних основ керування руйнуванням порід при гідрогазорозриві [1, 2]; експериментальна перевірка і коригування моделі [4]; розрахунок тріщин при горінні заряду в свердловині [1, 3]; підготовка окремих розділів монографії [1]; проведення дослідів, аналіз і узагальнення результатів досліджень [4-6, 9,10, 22, 38]; розрахунок і експериментальна перевірка моделі [7]; запропоновано і впроваджено метод торпедування нафтогазових і нагнітальних свердловин [13, 17]; аналіз дослідних даних і порівняння з теорією [15]; розроблена фізична модель локального руйнування порід при підземних вибухах і проведені оцінки для різних порід [29]; розробка елементів технологій і конструкцій пристроїв [25-34]; запропоновано вибуховий метод інтенсифікації видобутку нафти і газу [35, 36]; запропоновані конструкції пристроїв для спрямованого розриву пласта [37]; аналіз результатів впровадження спеціальних методів торпедування свердловин [39].

Апробація результатів дисертації. Окремі положення та результати досліджень по дисертаційній роботі доповідались на Х Міжнародній конференції по механіці гірських робіт (м. Москва, 1993 р.), на школі-семінарі по вибуховим явищам (м. Алушта, 1991, 1992 р.р.), на галузевих нарадах при Комітеті по нафті і газу (м. Київ, 1994 р.), на науково-технічних нарадах при АТ “Укрнафта” (м. Київ, 1991-1998 р.р.), ВО “Белорусьнефть” (м. Гомель, 1991 р.), ВО “Юганскнефтегаз” (м. Нєфтєюганск, 1989-1991 р.р.), АТ “Уренгойгазпром”, “Ямбурггазодобыча”,СП “Нордгаз” (м. Новий Уренгой, 1991,1995 р.р.), ВО “Севергазпром” (м. Ухта, 1991 р.), ВО “Союзсірка” (м. Київ, 1989 р.), при нафтогазових управліннях “Охтирканафтогаз” (м. Охтирка, 1997 р.), “Чернігівнафтогаз” (м. Прилуки, 1997 р.), “Полтаванафтогаз” (м. Полтава, 1997 р.), “Надвірнанафтогаз” (м. Надвірна, 1995 р.), “Речицанефть” (м. Рєчица, 1991 р.), ЗАТ “Укрнафтоінвест” (м. Київ, 1997 р.), АТ “Укргазовидобування”, ЗАТ “Надра” (м. Київ, 1999 р.), Печор НДПІ нафта (м. Ухта, 1991 р.), Укр НГІ (м. Київ, 1992, 2000 р.р.), на вчених радах Відділення геодинаміки вибуху ІГФ НАНУ (м. Київ, 1989-1997 р.р.), на міжнародній конференції УНГА “Нафта і газ України – 98” (м. Полтава, 1998 р.), на вчених радах ННДІОП (м. Київ, 1997-2000 р.р.).

Публікації. По матеріалам дисертації опубліковано 39 наукових робіт, в тому числі 1 монографія, 1 препрінт, 23 статті, 2 тези доповідей, 10 авторських свідоцтв і 2 патенти.

Об'єм і структура роботи. Дисертація викладена на 377 сторінках, складається із вступу, шести розділів, висновків і додатків, 96 рисунків, 22 таблиць, список використаних джерел із 170 найменувань на 15 сторінках.

В додатку дисертації наведені матеріали, які підтверджують використання результатів роботи.

Автор виражає глибоку вдячність науковому консультанту д.т.н., проф. К.Н. Ткачуку за консультації при написанні і оформлені дисертації, д.т.н. А.В. Михалюку за обговорення ідей експериментальних і теоретичних досліджень і співробітникам Національного науково-дослідного Інституту охорони праці та Відділення геодинаміки вибуху Інституту геофізики НАНУ за дійову допомогу в обговоренні і постановці задач по даній проблемі, а також інженерно-технічним працівникам підприємств нафтогазової галузі України та Росії за допомогу в проведенні експериментальних робіт, зокрема М.В. Лігоцькому, Г.П. Хотульову, В.М. Бульбасу, М.О Щелінському, О.В. Васьківу, В.М. Дубенюку, С.В. Назаруку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі дисертації приводиться критичний аналіз сучасних технологій інтенсифікації видобутку корисних копалин геотехнологічними методами.

В розробку методів торпедування та імпульсного розриву пластів внесли відомі вчені: Б.М. Бєляев, Е.М. Вольницька, С.В. Гошовський, Н.Г. Григорян, Ю.П. Желтов, С.А. Ловля, А.В. Михалюк, В.П. Нагорний, В.М. Світлицький, Л.Я. Фрідляндер, Г.А. Чазов, М.А. Шляйферт, К.Г. Щербина, С.В. Якимов та інші.

В розвиток сучасних уявлень про механічну дію вибуху в гірських породах внесли вітчизняні і зарубіжні вчені: В.В. Бойко, О.О. Вовк, В.В. Воробйов, В.Д. Воробйов, М.Ф. Друкований, Е.І Єфремов, В.М. Комір, В.Г. Кравець, М.В. Крівцов, Р.С. Крисін, Ф.І. Кучерявий, П.З. Луговий, І.А. Лучко, Ю.С. Мец, А.В. Михалюк, В.Д. Петренко, К.Н. Ткачук, М.У. Турута, П.І. Федоренко, Ф.А. Баум, В.О. Боровіков, О.Є. Власов, С.С. Григорян, В.М. Кузнєцов, Г.М. Ляхов, М.В. Мельников, Г.І. Покровський, В.М. Родіонов, О.М. Ханукаєв, Є.І. Шемякін, Є.М. Шер, Т. Атчисон, Р. Густафсон, І. Лангефорс, Ч. Норрен, М. Кук, К. Хіно та інші.

В розвиток напрямку досліджень по механіці руйнування, до якого відносяться задачі, розглянуті в даній роботі зробили значний внесок О.М. Гузь, Г.І. Баренблатт, С.А. Хрістіанович, Ю.П. Желтов, Є.Н. Шер, О.Л. Ісаков, П.О. Мартинюк А.Р. Зазовський, Ю.А. Песляк, А.М. Вайсман, Ю.Ф. Гордєєв, М.А. Кудряшов, О.І. Чернов, М.Г. Кю, Ч. Файрхорст, Б. Хаймсон, Х. Абе, Т. Мурі, Дж. Джирстма та інші.

На початку 60-х років як альтернативу гідророзриву пласта було створено технологію розриву пласта тиском порохових газів, що була реалізована в корпусному варіанті за допомогою, апарату АСГ-105, а пізніше в безкорпусному – генераторами та акумуляторами тиску в свердловинах типу ПГД-БК та АДС.

Механіка процесу руйнування привибійної зони свердловин при роботі цих пристроїв практично не вивчалась, проте автори методу пов'язують ефективність його застосування з утворенням в породі пласта потужних зон розриву – тріщин з залишковим розкриттям, а також з термічною та хімічною дією порохових газів на стінках свердловини та утворюваних тріщин. Кількість тріщин при гідророзриві пласта та їх орієнтація є дискусійним питанням і на цей час.

Некероване руйнування привибійної зони є одним з основних недоліків імпульсного і, в першу чергу, порохового розриву, і причиною всіх негативних результатів обробок нафтогазових і нагнітальних свердловин в умовах складної гірничо-геологічної будови продуктивних пластів, особливо малопотужних.

Вирішити проблему інтенсифікації роботи геотехнологічних свердловин за допомогою руйнування привибійної зони пласта бризантним вибухом торпед великої маси не вдалося в силу двох причин:

небезпеки ураження колон свердловин при вибуху зарядів великої маси;

обмеженості розмірів зони радіальних тріщин при торпедуванні обсаджених свердловин на середніх і великих глибинах (3-5 км.).

Технологія внутрішньотріщинного горіння та вибуху не знайшла широкого впровадження також в силу ряду причин, основна з яких – відсутність малочутливих безпечних високоенергетичних рідких вибухових речовин і паливно-окислювальних сумішей.

Нетрадиційний підхід до вирішення проблем інтенсифікації було запропоновано А.В. Михалюком. Фізична основа запропонованої технології – здатність зернистих та кристалічних порід до знеміцнення і розущільнення при стисненні в умовах нерівномірного статичного та динамічного напруженого стану – дилатансія. Проте існує цілий клас порід, які характеризуються некристалічною, або скритокристалічною структурою, і відповідно меншою схильністю до дилатансійного розущільнення на рівні мікроструктури і в той же час є типовими представниками порід-колекторів нафти і газу. До цього класу порід перш за все відносяться породи, якими представлені карбонатні колектори: вапняки, доломіти тощо. Поряд з порами та іншими мікро- і макродефектами в структурі цих та інших порід чутливими до дії вибуху є початкові тріщини і тріщиноподібні дефекти. Дія вибухових хвиль на них в зоні, що межує із зруйнованою і відповідні зміни властивостей порід не вивчалися. Значно меншою схильністю до дилатансії, або повною її відсутністю характеризуються глинисті і заглинизовані породи.

В результаті літературного огляду були поставлені вище сформульовані задачі досліджень.

В другому розділі описана загальна методика і основні методи теоретичних досліджень. Для опису докритичного підростання, критичної рівноваги і розповсюдження тріщин використовувався підхід Г.І. Баренблатта для рівноважних і повільних тріщин.

Для визначення інтегральних характеристик процесу і навантажень на береги тріщини на стадії її докритичного і закритичного росту використовувались рівняння гідродинаміки і відомі співвідношення теорії пружності з відповідними крайовими умовами в гирлі тріщини і на іншій границі рідини в тріщині.

Для визначення кінцевих розмірів тріщини (глибини l або R і її середнього розкриття ) використовувався наближений метод, вдосконалений в даній роботі. Баланс маси рідини в об'ємі тріщини і умова її гальмування дозволили отримати систему нелінійних рівнянь відносно l та (R та ), яка розв'язувалась чисельно. Коефіцієнти гідравлічного опору коректувалися на основі експериментів.

Вид початкової тріщини, її розміри, в'язкість рідини або газу, швидкість нагнітання флюїду в тріщину і значення гірського тиску мають визначальний вплив на пороговий тиск руйнування пласта при всіх видах гідророзриву.

На рис. 1 показані залежності порогового тиску руйнування порід від розмірів початкових тріщин (рис. 1, а – для радіальної тріщини, рис.1, б – для дископодібної). Криві 1ў отримані з використанням відомих співвідношень лінійної механіки руйнування, зокрема розв'язку О.Л. Бові.

Криві 1ўў і 2ўў - із використанням співвідношень отриманих автором, на основі теорії рівноважних тріщин з врахуванням градієнту тиску рідини в'зкістю 0,12·10-5 м2/с вздовж тріщини.

Криві 2ў отримані для випадку в'язкопластичних середовищ, в'язкість яких висока настільки, що флюїд неповністю (на половину глибини) проникає в тріщину. Експериментальні точки, отримані раніше, для рідин з n=2,2Ч10-6 м2/с і n=6,4Ч10-4 м2/с знаходяться між кривими 1' і 2' .

На основі аналізу особливостей напружено-деформованого стану (НДС) порід при плоскій деформації і об'ємному НДС і порівняння критичних параметрів руйнування порід в свердловинні при наявності радіальних і дископодібних кільцевих концентраторів напружень розроблено фізичне обгрунтування керування видом тріщин обмеженням інтервалу навантаження. Отримано теоретичне значення висоти зони тиску R”0,94dc (dc - діаметр свердловини), яке забезпечує при наявності кільцевого концентратора напружень утворення переважно дископодібних тріщин, яке отримало експериментальне підтвердження в дослідах по імпульсному гідро- та газорозриву крихких і пластичних порід.

Локалізація вибухового та електровибухового навантаження в околі гирла дископодібної тріщини також забезпечує її подальший розвиток без утворення радіальних тріщин.

Численні дослідження кернового матеріалу при бурінні геотехнологічних і пошуково-розвідувальних свердловин засвідчили, що породи-колектори характеризуються наявністю тріщин. Частина тріщин може бути заповнена іншою породою, більшість же – пластовим флюїдом.

Довжина цих тріщин, їх кількість та орієнтація поряд з пористістю визначають міцностні і фільтраційні властивості порід в масиві. Міра дії вибухових хвиль на масив після поодинокого чи групових вибухів і як наслідок його нові геомеханічні властивості в зоні, що прилягає до зруйнованої визначається новими розмірами тих дефектів і тріщин, які були в породі і змінили їх під дією динамічних навантажень.В рамках квазістатичного підходу при c1t=l>>lo (l - довжина хвилі, lo - характерний розмір початкової тріщини) на основі аналізу взаємодії хвиль напружень різних типів з початковими тріщинами отримана формула для критичного радіусу дископодібної тріщини, яка може бути ініційована імпульсом напружень , (a=0,16…0,2)

(1)

де К1D – динамічна в'язкість руйнування породи; – величина гірського тиску; рпл – пластовий тиск; k і m - константи затухання хвиль напружень.

При вибуху поодинокого заряду слідом за хвилею стиснення при появі навколо осередку вибуху тріщин виникає хвиля зсуву. В областях суперпозиції хвиль стиснення при групових вибухах також виникають зони зсувних напруг t.

Величина критичних напруг t* на контурі ідеалізованої дископодібної тріщини при відсутності початкових напружень визначається за формулами

; (2)

, (3)

де К11, К111 - коефіцієнти інтенсивності напруг (КІН), відповідно повздовжнього і поперечного зсуву; К11С, К111С – в'язкість руйнування породи при поздовжньому і поперечному зсуві; n1 - коефіцієнт Пуассона; q - полярний кут; b - кут між площиною тріщини і напрямком дії напруг зсуву.

Величина t в областях суперпозиції вибухових хвиль визначається різницею найбільшого s1 і найменшого s3 нормальних напруг, діючих в околі тріщини і може досягати 100-400 МПа в щільних гірських породах.

Розрахунки за формулами (1...3), якщо допустити, що величини К11С і К111СЈ2 К1с, як для більшості конструкційних матеріалів, показують, що для порід середньої та високої щільності з тріщинами, розміри яких не перевищують (0,1…0,2) l, критичний рівень зсувних напруг на контурі початкової тріщини виникає на відстанях до (60…120) ro, (ro - радіус заряду).

При наявності початкових напружень можуть використовуватися силові критерії руйнування, отримані О.М. Гузьом

К11=КўўК11(o)=K11C; К111=КўўўК111(o)=K111C,

де Кўў=(2-n1)/(2-n2), Кўўў=(2-n1)(1-n2)/(2-n2)(1-n1),

n2 – величина, яка залежить від рівня початкових напружень.

Аналіз числових результатів показав, що критичний радіус дископодібної тріщини, наприклад для мармуру складає 0,13…3,82Ч10-2 м при r=25…120 rо, при відсутності гірського тиску. Із збільшенням гірського тиску область локального руйнування зміщується до границі зони радіальних тріщин і звужується. Так, при =10 МПа R*=0,0026-0,18 м для відносних відстаней 25…60 rо. При =15 МПа R*=0,0041-0,46 м для =25…50 rо, тобто при r =50,0 rо локального руйнування може і не бути, поскільки критичний радіус тріщини близький до довжини хвилі в фазі розтягуючих напруг с1 t- і критерій мінімального часу, пов'язаний з існуванням інкубаційного часу затримки старту тріщини може не виконуватися.

Розрахунки за формулами (2…3) показали, що для початкових тріщин з R=0,1…0,2 м рівень критичних зсувних напруг в секторі кута q-b=0…85° для граніту складає 4,24-67,0 МПа, тому локальне руйнування породи при відповідних параметрах взаємодіючих зарядів є реальним.

Аналіз форми критеріїв руйнування і числових результатів показав, що дія пластового тиску і стиснення в напрямку паралельному осі тріщини сприяє її розкриттю і росту коефіцієнта інтенсивності напруг К1, тому при високих значеннях пластового тиску і невеликих гірських тисках, можливе комбіноване руйнування породи навколо початкової тріщини – зсув з розривом. При низьких значеннях пластового тиску, на великих глибинах можливе лише руйнування зсувом.

В третьому розділі описана експериментальна техніка досліджень. Експерименти по імпульсному гідророзриву проводились на стенді, який включав вертикальний копер, зразок породи, або модельного матеріалу, моделюючий масив з обсадженою свердловиною, що наповнена рідиною, контрольно-реєструючу апаратуру з блоком запуску оптичної та п'єзоелектричної вимірювальних систем, прилад для градуювання датчиків, перевірки та регулювання установки в процесі проведення експериментів.

В лабораторних дослідах вивчалось руйнування зразків гірських порід (вапняки двох видів, кам'яна сіль, туф) і модельних матеріалів (поліметилметакрилат, штучні пісковики різних груп міцності) при швидкостях навантаження 109-1010 Па/с, які реалізуються в натурних свердловинах при роботі порохових генераторів тиску та інших аналогічних пристроїв. В дослідах використовувались рідини двох в'язкостей, які були близькі по властивостям до промислових рідин: в'язкість першої рідини n1=2,2Ч10-6 м2/с (вода) і другої - n2=6,4Ч10-4 м2/с (нафта, гель, тощо).

Дослідження руйнування порід на моделях (ПММА та штучний пісковик) при вищих, ніж в процесі гідророзриву швидкостях навантаження на стінки свердловини (=1011-1014 Па/с) проводилися з використанням бездетонаційного горіння та детонації стиснутого газу (ацетилен з домішкою повітря 1…2 %), зарядів бризантних вибухових речовин (гексоген, тен) в інертних демпфуючих та недемпфуючих оболонках і в дископодібних щілинах з початковими тріщинами навколо. Тиск в свердловині при детонації чи горінні газу реєструвався п'єзодатчиками Т-6000, швидкість тріщин – за методом сигнальних датчиків з використанням п'єзодатчиків тиску і тензодатчиків деформацій.

Вивчення розмірів і стану поверхонь зруйнованого тріщиною зразка – візуально та за допомогою оптичної мікроскопії. Динамічні тиски в корпусах апаратів розриву реєструвались тензодатчиками тиску і крешерними датчиками. Струминні явища досліджувались за допомогою оптичної кінозйомки. Знеміцнення порід і геоматеріалів при вибухових навантаженнях і високошвидкісному пробиванні – методом ділильних сіток і акустичним методом.

Вивчення впливу попереднього напруженого стану на ефективність руйнування при газорозриві вивчалось на спеціальному стенді, який крім перерахованих вище пристроїв включав також гідравлічну камеру високого тиску.

Початкові напівдископодібні щілини з гострою тріщиною на кінці в зразках модельного матеріалу (ПММА) створювались розплавом. Підривання зарядів при повному чи частковому заряджанні щілини здійснювалось електровибухом, вимірювання швидкості детонації в щільових зарядах – за методикою іонізаційних датчиків.

Деформування елементів обсадної колони при вибуховій кумулятивній різці вивчалося з застосуванням п'єзодатчиків прискорень.

Деформація обсадної колони свердловини при падінні зовнішньої вибухової хвилі – з використанням тензодатчиків деформацій і мембранних датчиків тиску.

Кінетика розповсюдження тріщин в деяких матеріалах і закони руху рідин і газів в них досліджувались методом сигнальних датчиків і візуально методом швидкісної кінозйомки.

В четвертому розділі приведені результати теоретичних і експериментальних досліджень руйнування порід і модельних матеріалів в привибійній зоні свердловини при різних швидкостях навантаження. Узагальненні дані по кількості радіальних тріщин, які утворюються навколо осередку вибуху і горіння свердловинних зарядів. Показано, що з ростом швидкості навантаження від @109 Па/с (гідророзрив) до @1015 Па/с (сильний вибух) їх кількість збільшується за параболічним законом, як і їх швидкість (рис. 2, таблиця 1).

При низьких швидкостях навантаження (=109-1010 Па/с) форма поодинокої тріщини залежить не тільки від форми і розміру початкових концентраторів напруги, але й від ступеня локалізації інтервалу навантаження h, а також від положення джерела імпульсного навантаження по відношенню до гирла початкової дископодібної щілини (надрізу). Так, при наявності кільцевої тріщини на стінці свердловини руйнування породи дископодібною тріщиною відбувається при установці дископодібного заряду, чи кільцевого імпульсного джерела збудження детонації в газі напроти гирла початкової щілини. При зміщенні первинних джерел навантаження відносно гирла початкової щілини навколо осередку вибуху з'являються додаткові радіальні тріщини.

Таблиця 1 -

Результати експериментального дослідження руйнування ПММА при різноманітних умовах навантаження

Серія дослі-дів Умови проведення експериментів Рс, МПа tc, мкс , Па/с N uf, м/с

1 Копрове навантаження рідини в свердловині 20-28 (2-7)Ч103 108-1010 1-2 4-50

2 Камуфлетний вибух газової суміші 25-120 40-300 1010-1012 1-5 100-250

3 Вибух заряду в піщаній оболонці 23-45 60-70 3Ч1011-8Ч1011 2-3 -

4 Вибух заряду в водонаповненій свердловині 600-750 20-21 (3-3,7)Ч1013 8-9 300-500

5 Вибух заряду з повітряним радіальним зазором* 100-104 12-21,6 0,5Ч(1013-1015) 7-12 2000

*При ”1015 Па/с, uf=2000 м/с повітряний зазор відсутній.

При вибухах внутрішньотріщинних зарядів існує критична швидкість детонації ВР по тріщині, при якій починається тріщиноутворення на стінках початкової тріщини. Незалежно від швидкості детонації конденсованих вибухових речовин при повному заряджанні щілини відбувається розгалудження магістральної тріщини на відстані (0…0,4) Ro від вершини початкової тріщини при її швидкості (0,61-0,62) С2 (С2 – швидкість поперечних хвиль).

З ростом величини гірського тиску кількість тріщин зменшується. Так, при величині зовнішнього тиску на зразок і40 МПа при камуфлетному газовому вибуху завжди утворювалась одна тріщина, в той час як при =0-10 МПа – 2-3 тріщини.

Критичні параметри руйнування – пороговий тиск розриву і коефіцієнт інтенсивності напруг залежить не лише від розміру початкової тріщини та її геометрії, але й від в'язкості флюїду (рідина, продукти горіння чи детонації). Критичні поверхні в просторі параметрів навантаження для критерія максимального коефіцієнта інтенсивності напруг свідчать про сильну нелінійну залежність порогового тиску розриву від розміру радіальної і дископодібної початкових тріщин з ростом швидкості навантаження (рис. 3). З ростом пороговий тиск розриву привибійної зони свердловини при швидкостях навантаження @1010-1011 Па/с збільшується за лінійним законом.

Режим руху флюїду по тріщині залежить від швидкості і тиску нагнітання, а також в'язкості рідини, чи газу і ступеня шорсткості стінок породи. Експериментально установлено, що рух в'язкої рідини по тріщині – ламінарний з числами Рейнольдса Rе=5-10; малов'язкої – перехідний від ламінарного до турбулентного з числами Рейнольдса Rе=104; газу, та газорідинних сумішей при горінні та детонації газів – турбулентний нестійкий з Re=105 при =10-3 м і шорсткості берегів тріщини =0,05-0,4 (=/, де - висота виступів).

Установлено, що при імпульсному гідророзриві пористих порід (пористість nЈ10…12розмір області інфільтрації навколо тріщини характеризується в розрізі клиноподібною формою. Розміри цієї області (ширина) максимальні на стінці свердловини і складають (0,5-1,2) dc. З віддаленням від осі свердловини вона монотонно зменшується до відстані (2,5-3,2) dc, після чого стає приблизно постійною і рівною (0,15-0,25) dc при розриві малов'язкою рідиною і (0,05-0,1) dc – при розриві рідиною відносно великої в'язкості.

Розміри області інфільтрації навколо свердловини при використанні рідини з в'язкістю n=6,8Ч10-4 м2/с складає (1,1-1,2) dc, в той час як при n=2,2Ч10-6 м2/с – інфільтрація розповсюджується на відстані (2…2,5) dc.

При розриві пористих гірських порід малов'язкою рідиною і газом глибина розповсюдження тріщин практично лінійно зростає пропорційно часу дії тиску рідини. При використанні рідин з відносно великою в'язкістю залежність розмірів тріщин зростає за нелінійним законом. В області малих часів нагнітання рідини (tЈ10Ч10-3 с) скачок тріщини при розриві в'язкою рідиною суттєво більший, ніж при розриві малов'язкою за рахунок більшого запасу енергії, накопиченої в зразку на момент граничної рівноваги. При більших часах нагнітання (tі10Ч10-3 с) ріст тріщин відбувається значно повільніше завдяки в'язкому опору течії рідини по тріщині.

Результати експериментальних і чисельних досліджень показали, що збільшення міцності і в'язкості руйнування гірської породи при інших рівних умовах зменшують середні швидкості тріщин імпульсного гідророзриву та їх кінцеві розміри в діапазоні швидкостей навантаження 0,5Ч109ЈЈ5Ч109 Па/с.

Наведені результати теоретичних досліджень процесів виникнення і розповсюдження поодиноких тріщин при квазістатичному та імпульсному гідрогазорозриві, а також процесу локального тріщиноутворення в гірських породах за межами зони макроруйнування при вибухових швидкостях навантаження.

Розрахунки показали, що розміри тріщин в монолітних малопроникних породах в умовах неглибокого залягання пласта (400-600 м) залежить в першу чергу від міцностних властивостей порід, і в'язких властивостей рідини і гладкості берегів тріщини. Чисельні розрахунки показали також, що з ростом часу нагнітання флюїду розміри тріщин малопроникних пористих порід ростуть в першому наближенні для малов'язких рідин за законом близьким до лінійного, для в'язких рідин – за нелінійним законом з поступовим зменшенням крутизни залежностей l(t), R(t) при збільшенні t.

З ростом гірського тиску в межах 10…20 % від амплітудного значення тиску нагнітання відбувається основне зниження глибини зони розриву за законом близьким до експоненціального.

З ростом початкових напружень зменшення розмірів тріщин, утворених при імпульсному газорозриві, відбувається за законом близьким до експоненціального. При цьому глибина радіальних тріщин, що утворюються при підземному газовому вибуху в попередньо напружених гірських породах в 2-4 рази більша, ніж при вибухах бризантних зарядів.

Основні параметри імпульсного розриву продуктивного пласта – глибина і ширина тріщин залежать в більшому ступені від термодинамічних характеристик зарядів (генератора тиску), ніж від в'язкості флюїду для промислових рідин розриву. При цьому коефіцієнти пропорційності росту розмірів тріщин від часу нагнітання в'язкої, малов'язкої рідини і продуктів детонації стиснутої газової суміші співвідносяться між собою приблизно, як ” 1:2:17 для порід з відносно гладкими стінками утворюваних тріщин.

На основі отриманих власних експериментальних результатів узагальнені дані про кінетику тріщин, які розповсюджуються від осередку вибуху чи горіння в залежності від швидкості виділення енергії в ньому. Встановлено, що швидкості тріщин незалежно від режиму навантаження стінок свердловини максимальні на старті і характеризуються першими м/с при гідророзриві, десятками і сотнями м/с при імпульсному гідро- і газорозриві, а також при підривання зарядів в інертних оболонках і граничними швидкостями руху – при вибуху заряду, що повністю заповнює свердловину, або тріщину.

Ріст розмірів тріщин при імпульсному газогідророзриві пластичних порід відбувається згідно з нелінійним законом, близьким до степеневого. Нелінійність обумовлена стисливістю порід і утворенням в присвердловинній області порожнини відповідної форми.

Експериментально установлено, що збільшення коефіцієнту заповнення свердловини горючим матеріалом з 0,62 до 0,75 збільшує розміри дископодібних тріщин розриву в пластичних породах на 60-79 % при інших однакових умовах.

Руйнування порід і модельних матеріалів навколо свердловини чи початкової тріщини починається після протікання певного періоду часу – індукційного періоду затримки руйнування. Тривалість індукційного періоду для тріщини розриву і загальна тривалість докритичної стадії руйнування зразка з тріщиною збільшуються із зменшенням швидкості навантаження. Залежність індукційного періоду від тиску в свердловині, або тріщині по формі аналогічна кривим довговічності.

Експериментальне вивчення особливостей знеміцнення порід і геоматеріалів на моделях при вибухах і високошвидкісному пробиванні показало, що зона знеміцнення при високошвидкісному пробиванні обмеженого об'єкту клиноподібним зарядом, або групою осесиметричних кумулятивних зарядів досягає 5-7 товщин цього об'єкту.

Визначено кількісно вклад основних процесів, які супроводжують вибух кумулятивного заряду в газовому середовищі (кумулятивного струменя, продуктів детонації і ударної хвилі) в деформацію тонкостінних елементів конструкцій. Для випадку підривання кумулятивного заряду в рідкому середовищі здійснена оцінка вкладу кумулятивного струменя, гідроударної хвилі, газового пухиря і гідропотоку в деформацію обсадної труби. Відмічено, що гідропотік при певних умовах може впливати на процес утворення тріщин в пласті при підриванні груп розосереджених зарядів в свердловині.

Проведено аналіз міцності обсадної колони при падінні на неї плоскої вибухової хвилі слабкої інтенсивності.

В п'ятому розділі на основі встановлених закономірностей руйнування і знеміцнення порід навколо осередку горіння чи вибуху, в тому числі на границях пластів розроблені нові технології вибухових робіт і раціональні конструкції вибухових пристроїв і свердловинних апаратів розриву порід.

Для спрямованого імпульсного розриву пласта горизонтальною дископодібною тріщиною розроблені нові технології прострілювально-вибухових робіт і нові конструкції пристроїв (апаратів) для розриву ПЗП (привибійної зони пласта). Технології реалізуються за допомогою пристроїв двох типів: газоімпульсного апарату струминної дії та гідроімпульсного.

Спрямоване руйнування порід і стійка фіксація пристрою під час роботи в свердловині забезпечуються конструкціями апаратів, в яких між симетричноми камерами згорання газогенеруючого заряду знаходиться кільцеве сопло для формування робочих струменів. Попереднє руйнування породи здійснюється кільцевими кумулятивними зарядами, або попередньою кумулятивною перфорацією з щільністю 24-36 отв/м. Пристрій для газоімпульсного розриву пройшов стендові та польові натурні випробовування і був виготовлений у вигляді дослідно-промислових зразків по замовленню ВО “Юганскнефтегаз” (рис. 4).

Струминний метод спрямованого імпульсного розриву пласта може бути використаний як технологія поінтервальної обробки для інтенсифіксації видобутку природних вуглеводнів в специфічних умовах: наявність поблизу водо-нафтових (ВНК) або газонафтового контактів (нафтові облямівки) в заглинизованих колекторах, а також як метод обережного вторинного розкриття продуктивних пластів поблизу ВНК при застосуванні в якості генераторів тиску і температури спеціальних піротехнічних сумішей. Розроблені конструкції перфораторів.

На базі результатів досліджень, отриманих в розділах 3 і 4, були розроблені метод двостадійної вибухової обробки ПЗП (рішення по заявці № , Україна) і конструкції торпед (патент № 2060380, Росія).

Для вибухової обробки ПЗП, які представлені породами-колекторами з незначними пластичними