способ нагнетания жидкости в горный массив и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ нагнетания жидкости в горный массив, включающий бурение скважин, герметизацию и нагнетание в них жидкости многоплунжерной насосной установкой, отличающийся тем, что вначале осуществляют обработку скважин жидкостью при давлении естественного впитывания до момента его стабилизации, после этого в скважины нагнетают жидкость в импульсном режиме до момента гидравлического разрыва пласта, при этом импульсы в каждую скважину подают со сдвигом по фазе.

2. Устройство для нагнетания жидкости в горный массив, включающее многоплунжерную насосную установку, подплунжерные рабочие полости которых снабжены нагнетательными и всасывающими клапанами, бак с жидкостью, магистраль для подачи жидкости, контрольно-измерительную аппаратуру и герметизаторы скважин, отличающееся тем, что оно снабжено низконапорным насосом и распределителями, при этом низконапорный насос включен в магистраль для подачи жидкости, первый вход каждого распределителя соединен с выходом низконапорного насоса, второй вход соединен с нагнетательным клапаном соответствующего плунжера насосной установки, а выход соединен с входом одного или нескольких герметизаторов скважин.

3. Устройство для нагнетания жидкости по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным распределителем, вход которого соединен с баком для жидкости, а его выходы соединены соответственно с входом и выходом низконапорного насоса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разупрочнении и увлажнении горного массива.

Известен способ увлажнения горного массива, заключающийся в том, что в пробуренную скважину закачивается жидкость насосом постоянной производительности (Каталог " Оборудование и приборы для комплексного обеспыливания угольных шахт, разрезов и обогатительных фабрик". М., 1979 г., с.3-14).

Недостатком этого способа является его низкая эффективность из-за отсутствия учета фильтрационно-коллекторских свойств массива и подачи жидкости под постоянным давлением.

Известен способ увлажнения горного масива, заключающийся в том, что с помощью спциальных импульсных устройств жидкость подают в скважины при постоянном давлении и частоте 100-150 герц ("Безопасность ведения горных работ угольных шахтах". Кемерово, 1991 г., с. 44-50). Недостатком этого способа является то, что импульсы подаются в пустую скважину, а после ее заполнения подают импульсы при 100-150 герц, в результате чего импульсы сглаживаются.

Известны также способ нагнетания жидкости в пласт и устройство для его осуществления. (Авт.свид. СССР N 713196, E 21 F 5/02. Бюл. N 45, 1983 г.).

Способ заключается в предварительном определении величины гидравлического сопротивления пласта, бурении скважин, их герметизации и последующем нагнетании в них жидкости под давлением с помощью многоплунжерной насосной установки, которая аккумулирует часть жидкости в зависимости от фильтрационных свойств пласта. При достижении давления жидкости в насосной установке величины гидравлического сопротивления пласта одновременно с нагнетанием жидкости в пласт аккумулированную часть жидкости подают в рабочие полости цилиндров насосной установки.

Устройство для осуществления указанного способа включает многоплунжерную насосную установку, подплунжерные рабочие полости которых снабжены нагнетательными и всасывающими клапанами, магистраль для подачи жидкости, бак для жидкости, герметизаторы скважин и контрольно-измерительную аппаратуру. Каждый цилиндр насосной установки снабжен аккумулирующей емкостью, сообщенной с рабочей полостью цилиндра.

Известные способ и устройство не обеспечивают достаточную эффективность обработки из-за того, что при непрерывном закачивании под давлением жидкость раскрывает первоначально трещины более глубокие и большего диаметра. В результате происходит преждевременный разрыв пласта и радиус обработки при этом невелик.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности процесса обработки за счет поэтапного и равномерного воздействия на горный массив и увеличения радиуса обработки с учетом фильтрационно-коллекторских свойств массива, а также снижение энергоемкости процесса.

Для решения поставленной задачи предложен способ нагнетания жидкости в горный массив, при котором бурят скважины, герметизируют их и нагнетают жидкость под давлением многоплунжерной насосной установкой. Причем, вначале скважины заполняют жидкостью при давлении естественного впитывания до момента его стабилизации, после этого в скважины нагнетают жидкость в импульсном режиме до момента гидравлического разрыва. Импульсы в каждую скважину подают со сдвигом по фазе.

Предложено также устройство для нагнетания жидкости в горный массив, включающее многоплунжерную насосную установку, подплунжерные рабочие полости которых снабжены нагнетательными и всасывающими клапанами, бак для жидкости, магистраль для подачи жидкости, герметизаторы скважин, контрольно-измерительную аппаратуру, низконапорный насос и распределители по количеству плунжеров насосной установки, имеющие возможность подачи жидкости в одну или несколько скважин.

Низконапорный насос включен в магистраль для подачи жидкости. Первый вход каждого распределителя через магистраль для подачи жидкости соединен с выходом низконапорного насоса, второй вход соединен с нагнетательным клапаном соответствующего плунжера насосной установки, а выход распределителя соединен с входом одного или нескольких гермтизаторов скважин.

Кроме того, устройство содержит дополнительный распределитель, вход которого соединен с баком для жидкости, а его выходы соединены соответственно с входом и выходом низконапорного насоса.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена гидравлическая схема устройства для нагнетания жидкости в массив, а на фиг.2 а)-в)- гидравлические импульсы, создаваемые каждым плунжером насосной установки на примере обработки трех скважин.

Устройство состоит из многоплунжерной насосной установки 1 с поршнями 2 и подплунжерными рабочими полостями 3, каждая из которых снабжена всасывающим 4 и нагнетательным 5 клапанами. Все надклапанные камеры всасывающих клапанов 4 соединены параллельно друг с другом и с магистралью 6 для подачи жидкости. Последняя соединена с баком для жидкости 7 через низконапорный насос 8. С выходом низконапорного насоса 8 соединены первые входы распределителей 9. Вторые входы распределителей 9 соединены с надклапанными камерами нагнетательных клапанов 5 соответствующих плунжеров насосной установки 1. Выход каждого распределителя 9 через один или несколько герметизаторов 10 соединен соответственно с одной или несколькими обрабатываемыми скважинами 11, пробуренными в массиве горной породы 12. Для фиксирования давления в скважинах 11 включены манометры 13.

Иногда возможна подача жидкости в скважины 11 из бака 7 под действием геодезического давления за счет разницы высоты бака 7 и скважины 11. Для этого предусмотрен дополнительный распределитель 14, шунтирующий низконапорный насос 8. Дополнительный распределитель 14 подключен своим входом к выходу бака для жидкости 7, один из его выходов соединен с входом низконапорного насоса 8, а другой через магистраль 15 - с выходом ниэконапорного насоса 8.

Способ нагнетания жидкости в массив с помощью данного устройства осуществляется следующим образом.

В зависимости от физико-технических свойств массива и применяемой жидкости определяются величины гидравлического сопротивления горного массива и давления естественного впитывания. Величина гидравлического сопротивления горного массива определяется по давлению путем закачки жидкости в скважину до такого давления, при котором произойдет образование длинных трещин в массиве. Величина давления естественного впитывания определяется моментом его стабилизации после полного насыщения микротрещин и предварительной пропитки скважины. По полученным значениям давлений и с учетом принятой технологии обработки горного массива устанавливаются максимальные давления импульсов для многоплунжерной насосной установки и давление естественного впитывания. Кроме того, определяются объемы жидкости и время, необходимые для достижения максимального давления и давления естественного впитывания до его стабилизации.

Жидкость из бака 7 при открытии распределителя 14 самотеком (если бак находится выше уровня обрабатываемой скважины) или с помощью низконапорного насоса 8 поступает в магистраль 6 и к распределителю 9, при открытии которого жидкость через один или несколько герметизаторов 10 подается соответственно в одну или несколько скважин 11. Подачу жидкости в режиме естественного впитывания, т.е. до заполнения имеющихся в массиве микротрещин, осуществляют при давлении, не превышающем 0,5-2 МПа. При этом происходит эффективное начальное увлажнение и разупрочнение массива при незначительных затратах электроэнергии. Подача жидкости в скважины прекращается в момент стабилизации давления в скважине. В скважинах, где происходит резкое падение давления, процесс последующей обработки прекращают. После стабилизации давления, в скважине с помощью распределителя 9 отключается магистраль 6 и включается насосная установка 1 высокого давления.

Импульсно-порционная подача жидкости осуществляется при вращении коленвала насосной установки 1 путем поочередного выталкивания поршнями 2 из полостей 3 порций жидкости. Обработка горного массива гидравлическими импульсами, сдвинутыми по фазе и с давлением до 50 МПа обеспечивает многочисленные образования глубоких трещин, в результате чего горный массив более равномерно увлажняется и разупрочняется.

В начальный момент жидкость начинает подаваться, например, в первую (нижнюю) скважину, предварительно обработанную в режиме естественного впитывания. Во вторую (среднюю) скважину в этот момент подается жидкость с максимальной амплитудой давления P₂, а в третью (верхнюю) скважину импульс не подается. В этот момент в третью скважину может подаваться жидкость из бака 7 при давлении естественного впитывания до момента его стабилизации.

В момент времени T₁ в первую скважину подается жидкость с максимальной амплитудой P₁, подача жидкости во вторую скважину прекращается, а в третью только начинается.

В следующий промежуток времени T₂ в первую скважину подача жидкости прекращается, во вторую скважину только начинается, а в третью скважину подается жидкость с максимальной амплитудой P₃. В промежуток времени от T₂ до T₃ в первой скважине осуществляется предварительное увлажнение, во вторую скважину осуществляется закачка дозированного объема жидкости до максимального значения P₂, а в третью скважину заканчивается закачка дозированного объема от максимального давления P₃ до нуля.

В промежуток времени от T₃ до T₄ в первую скважину закачивается дозированный объем жидкости до максимального значения P₁, во вторую скважину заканчивается закачка, а в третью скважину жидкость поступает от низконапорного насоса 8 или самотеком, обеспечивая заполнение скважины в режиме естественного впитывания.

Аналогично осуществляется нагнетание жидкости в скважины в последующие промежутки времени до полной обработки горного массива.

Если по условиям технологии необходима обработка более трех скважин, то используютcя дополнительные отводы 16 распределителей 9 для подключения через соответствующие герматизаторы 10 к нескольким скважинам 11.

Сдвиг фазы импульсов определяется скоростью вращения колен-вала и количеством плунжеров насосной установки, а также количеством одновременно обрабатываемых скважин. От этого зависит и частота импульсов, подаваемых в скважины в виде отдельных порций жидкости, выталкиваемых поочередно из каждого плунжера.

За счет исключения из схемы устройства аккумулирующих емкостей, сообщенных с рабочей полостью цилиндра насосной установки (как в прототипе), не происходит сглаживания импульсов, создаваемых каждым плунжером.

Благодаря тому, что предложенные способ и устройство обеспечивают одновременную и независимую друг от друга подачу жидкости в несколько скважин, а параметры и условия разупрочнения и пропитки каждой скважины не влияют на условия работы других скважин, обеспечивается возможность рационального группирования скважин и последовательности их обработки с учетом фильтрационно-коллекторских свойств горной породы.

При этом не происходит подработки соседних скважин со смыканием трещин по направлениям наименьшего сопротивления, в результате которого уменьшается радиус пропитки.

Указанные преимущества обеспечивают повышение производительности, снижение стоимости и повышение эффективности обработки горного массива.