Передача давления в угольный пласт при гидроимпульсном нагнетании жидкости в скважину
У рамках теорії пружності розглядається задача про розподіл напружень навколо горизонтальної свердловини у вугільному пласті при заданій радіальної навантаженні її поповерхні. Пласт розташований на заданій глибині від денної поверхні і передбачається зче пленим з масивом. Проводиться порівняння розп...
Saved in:
| Date: | 2012 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Series: | Геотехническая механика |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/54279 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Передача давления в угольный пласт при гидроимпульсном нагнетании жидкости в скважину / А.Р. Сницер, Л.М. Васильев, В.В. Зберовский, И.Ф. Чугунков // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 104. — С. 60-69. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-54279 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-542792025-02-09T15:09:13Z Передача давления в угольный пласт при гидроимпульсном нагнетании жидкости в скважину Pressure transfer in the coal seam at hydroimpulsive fluid injection into the well Сницер, А.Р. Васильев, Л.М. Зберовский, В.В. Чугунков, И.Ф. У рамках теорії пружності розглядається задача про розподіл напружень навколо горизонтальної свердловини у вугільному пласті при заданій радіальної навантаженні її поповерхні. Пласт розташований на заданій глибині від денної поверхні і передбачається зче пленим з масивом. Проводиться порівняння розподілів напружень навколо свердловини в шарі і в безмежному масиві при рівних умовах нагнітання рідини. Оцінюється вплив границь пласта на розподілення напружень. In the framework of the theory of elasticity, the problem of the distribution of stresses around a horizontal well in the coal seam at a given radial load its surface is considered. Reservoir located at a given depth from the surface of the Earth and adhered to the expected array. The comparison of the stress distribution around the hole in the layer and in an infinite array under equal conditions injection of fluid is done. The influence of reservoir boundaries on the stress distribution is evaluated. 2012 Article Передача давления в угольный пласт при гидроимпульсном нагнетании жидкости в скважину / А.Р. Сницер, Л.М. Васильев, В.В. Зберовский, И.Ф. Чугунков // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 104. — С. 60-69. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/54279 539.3:622.831.322 ru Геотехническая механика application/pdf Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
У рамках теорії пружності розглядається задача про розподіл напружень навколо горизонтальної свердловини у вугільному пласті при заданій радіальної навантаженні її поповерхні. Пласт розташований на заданій глибині від денної поверхні і передбачається зче пленим з масивом. Проводиться порівняння розподілів напружень навколо свердловини в шарі і в безмежному масиві при рівних умовах нагнітання рідини. Оцінюється вплив границь пласта на розподілення напружень. |
| format |
Article |
| author |
Сницер, А.Р. Васильев, Л.М. Зберовский, В.В. Чугунков, И.Ф. |
| spellingShingle |
Сницер, А.Р. Васильев, Л.М. Зберовский, В.В. Чугунков, И.Ф. Передача давления в угольный пласт при гидроимпульсном нагнетании жидкости в скважину Геотехническая механика |
| author_facet |
Сницер, А.Р. Васильев, Л.М. Зберовский, В.В. Чугунков, И.Ф. |
| author_sort |
Сницер, А.Р. |
| title |
Передача давления в угольный пласт при гидроимпульсном нагнетании жидкости в скважину |
| title_short |
Передача давления в угольный пласт при гидроимпульсном нагнетании жидкости в скважину |
| title_full |
Передача давления в угольный пласт при гидроимпульсном нагнетании жидкости в скважину |
| title_fullStr |
Передача давления в угольный пласт при гидроимпульсном нагнетании жидкости в скважину |
| title_full_unstemmed |
Передача давления в угольный пласт при гидроимпульсном нагнетании жидкости в скважину |
| title_sort |
передача давления в угольный пласт при гидроимпульсном нагнетании жидкости в скважину |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/54279 |
| citation_txt |
Передача давления в угольный пласт при гидроимпульсном нагнетании жидкости в скважину / А.Р. Сницер, Л.М. Васильев, В.В. Зберовский, И.Ф. Чугунков // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 104. — С. 60-69. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT snicerar peredačadavleniâvugolʹnyjplastprigidroimpulʹsnomnagnetaniižidkostivskvažinu AT vasilʹevlm peredačadavleniâvugolʹnyjplastprigidroimpulʹsnomnagnetaniižidkostivskvažinu AT zberovskijvv peredačadavleniâvugolʹnyjplastprigidroimpulʹsnomnagnetaniižidkostivskvažinu AT čugunkovif peredačadavleniâvugolʹnyjplastprigidroimpulʹsnomnagnetaniižidkostivskvažinu AT snicerar pressuretransferinthecoalseamathydroimpulsivefluidinjectionintothewell AT vasilʹevlm pressuretransferinthecoalseamathydroimpulsivefluidinjectionintothewell AT zberovskijvv pressuretransferinthecoalseamathydroimpulsivefluidinjectionintothewell AT čugunkovif pressuretransferinthecoalseamathydroimpulsivefluidinjectionintothewell |
| first_indexed |
2025-11-27T05:24:22Z |
| last_indexed |
2025-11-27T05:24:22Z |
| _version_ |
1849919869912350720 |
| fulltext |
60
Следует рассмотреть перспективу развития Криворожского региона не с по-
зиций увеличения добычи руды, а из переориентации на новые виды деятель-
ности с учетом занятости населения. Исходить из того, что Украине в таких
огромных объемах добычи руды нет необходимости. Добыча руды на некото-
рых карьерах в ближайшем будущем будет не экономичной.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Харін С.А. Розвиток наукових основ проектування будівництва залізорудних шахт на великих глибинах/
С.А. Харін.- Автореф. дис. на здобуття наукового ступеня доктора техн. наук. Дніпропетровськ. 2012.
2.Четверик М.С. Перспективы использования земельных ресурсов горнорудных предприятий Кривбасса
для производства биотоплива / М.С. Четверик, Е.А. Ворон // Металлургическая и горнорудная промышленность
.-Днепропетровск, 2012.-№3.-С. 71-75.
3.Бабий Е.В. Технология предобогащения железных руд в глубоких карьерах/ Е.В. Бабий.- Киев.: «Наукова
думка», 2011.- 184 с.
4.Ильин С.А. Преодоление изначальных недостатков открытого способа разработки: опыт и результаты/
С.А. Ильин, В.С. Коваленко, Д.В. Пастихин //Горный журнал, 2012, №4, С.25-32.
УДК 539.3:622.831.322
Канд. физ. мат. наук А.Р. Сницер,
(НИИ ПГД ТНУ им. В.И. Вернадского)
д-р техн. наук Л.М. Васильев,
канд. техн. наук В.В. Зберовский
(ИГТМ НАН Украины),
инж. И.Ф. Чугунков
(ПАО «Краснодонуголь»)
ПЕРЕДАЧА ДАВЛЕНИЯ В УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ ПРИ
ГИДРОИМПУЛЬСНОМ НАГНЕТАНИИ ЖИДКОСТИ В СКВАЖИНУ
У рамках теорії пружності розглядається задача про розподіл напружень навколо гори-
зонтальної свердловини у вугільному пласті при заданій радіальної навантаженні її по-
поверхні. Пласт розташований на заданій глибині від денної поверхні і передбачається зчеп-
леним з масивом. Проводиться порівняння розподілів напружень навколо свердловини в
шарі і в безмежному масиві при рівних умовах нагнітання рідини. Оцінюється вплив границь
пласта на розподілення напружень.
PRESSURE TRANSFER IN THE COAL SEAM AT HYDROIMPULSIVE
FLUID INJECTION INTO THE WELL
In the framework of the theory of elasticity, the problem of the distribution of stresses around a
horizontal well in the coal seam at a given radial load its surface is considered. Reservoir located at
a given depth from the surface of the Earth and adhered to the expected array. The comparison of
the stress distribution around the hole in the layer and in an infinite array under equal conditions
injection of fluid is done. The influence of reservoir boundaries on the stress distribution is
evaluated.
Введение
В работе [1] исследована задача о распределении напряжений вокруг гори-
зонтальной скважины в угольном массиве при импульсном нагнетании в нее
жидкости. При моделировании учитывалось, что массив представлен упругой
средой, в которой на определенной глубине от дневной поверхности располо-
61
жена скважина. Гидравлический импульс, действующий на поверхность сква-
жины, моделировался суперпозицией постоянной составляющей и динамиче-
ской составляющей, гармонически изменяющейся во времени. В данной статье
рассматривается аналогичная задача для угольного пласта, сжатого боковыми
породами.
1. Краевая задача о волновом поле линейного гармонического источни-
ка упругих волн в слое
Пусть в упругом слое hy , x параллельно его границам и симмет-
рично относительно центра декартовой системы координат расположена без-
граничная цилиндрическая скважина радиуса ar (рис. 1). Предполагается,
что на поверхности скважины задана радиальная гармоническая нагрузка:
)exp(5.0 tip
rr
, constp . (1)
Рис.1 – Модель цилиндрической скважины в угольном пласте
Границы угольного слоя полагаются сцепленными с окружающей его сре-
дой, так что на границах перемещения отсутствуют:
0),(),( )0( yxuyxu xx , 0),(),( )0( yxuyxu yy , hy , (2)
где перемещения ),()0( yxux , ),()0( yxu y – порождаются цилиндрическим источни-
ком колебаний в безграничной упругой среде, а ),( yxux , ),( yxu y – добавочные
перемещения, связанные с взаимодействием возмущений с границами слоя.
Перемещения, порождаемые цилиндрическим источником определяются
решением динамической краевой задачи теории упругости о гармоническом
осесимметричном нагружении поверхности скважины в неограниченной упру-
гой среде [2,3]:
62
)()( 1
)2(
1
)0( rkHBrur , ,
)()(
2
1
)2(
011
)2(
1
2
1
2
1
2
2
2
2
akHkakH
ak
k
k
pk
B (3)
Составляющие радиальной компоненты по направлениям декартовой систе-
мы координат имеют вид:
r
x
ruruyxu rrx )(cos)(),( )0()0()0(
,
r
y
ruruyxu rry )(sin)(),( )0()0()0(
, (4)
где цилиндрическая координата
22 yxr ; – угол между положительным
направлением оси x0 и радиальным направлением;
)1(2
)21(
21 fk ,
fk 22 – волновые числа продольной и поперечной волн в упругой среде;
– плотность; – модуль сдвига; – коэффициент Пуассона; f – частота
воздействия на поверхность скважины.
Решения для перемещений ),( yxux , ),( yxux выражаются через потенциалы
Ламэ и za , удовлетворяющие волновым уравнениям [4]:
02
12
2
2
2
k
yx
, 02
22
2
2
2
z
zz ak
y
a
x
a
. (5)
y
a
x
yxu z
x ),( ,
x
a
y
yxu z
y ),( ; (6)
Решения для потенциалов разыскиваются в виде:
dxiyCyCyx exp)sin()()cos()(, 1211
2
1 , (7)
dxiyCyCyxaz exp)sin()()cos()(, 2423
2
1 , (8)
где
.,
;,
2,12,1
2,12,1
2,1
2
2
kki
kk
, (9)
63
Удовлетворяя граничным условиям (2), и применяя формулу обращения
преобразования Фурье, приходим к системе 4-х линейных алгебраических
уравнений для определения интегральных плотностей )(jC , 41j . При
условии
0)sin()cos()cos()sin( 212121
2 hhhh , (10)
для интегральных плотностей получим:
1
1 )(C , 0)()( 32 CC , 4
4 )(C , (11)
где
)cos()(I)sin()(I 222211 hhhiB , (12)
)sin()(I)cos()(I 111124 hhhiB , (13)
)cos()sin()sin()cos( 212121
2 hhhh . (14)
Интегралы )(I1 , )(I2 , входящие в (12), (13) вычисляются в замкнутом
виде [5]:
.,
)(
;,
)(
)(
12
1
2
2
1
2
1
22
1
22
1
22
22
1
)2(
1
exp
exp
2
)(I
1
1
k
k
kh
k
ki
kih
k
dxe
hx
hxkxH xi (15)
.),exp(
;),(exp
)(
1
2
1
2
1
22
1
1
22
22
1
)2(
1 2
)(I2
kkh
kkih
hk
i
dxe
hx
hxkH xi
(16)
Таким образом, потенциалы yx, и yxaz , для слоя определены.
2. Определение напряжений в окрестности скважины параллельной
границам слоя
64
Динамическая составляющая радиального напряжения в окрестности сква-
жины в упругом слое )()( rstr
rr при гидроимпульсном нагнетании жидкости со-
стоит из линейной суперпозиции напряжений от источника (колебаний поверх-
ности скважины) в безграничной среде )()( rdin
rr , определяемой выражением
[2,3]
)()(2
)()(2
5.0)(
1
)2(
011
)2(
1
1
1
)2(
011
)2(
1
1
)(
akHkakHab
rkHkrkHbr
prdin
rr (17)
и дополнительного напряжения )()( radd
rr , возникающего вследствие взаимо-
действия возмущения с границами слоя
)()()( )()()( rrr add
rr
din
rr
strat
rr . (18)
Запишем выражение для дополнительного напряжения )()( radd
rr в направле-
нии радиуса, составляющего с осью x0 декартовой системы координат угол
[6]
)2cos(
22
)()( yxyxadd
rr r . (19)
Компоненты напряжений ),( yxx , ),( yxy выражаются через найденные
выше потенциалы Ламэ (7), (8) по известным формулам [4]:
yx
ak
x
yx z
x
2
2
2
21
),(
2
1 , (20)
yx
ak
y
yx z
y
2
2
2
21
),(
2
1
. (21)
В итоге, зная потенциалы yx, , yxaz , и используя (20), (21) для доба-
вочной динамической компоненты радиального напряжения (19) в слое полу-
чим:
),(2)(
21
211)( yxInt
Bik
radd
rr ,
65
0
2
cos
)()(
)(
2
1
2
1
2
2
1
1 cos
2
cos),( dxye
k
yeyxInt x
DD
M hihi
, (22)
2cos
21
21
, 2cos , h
i
hM 2
1
2
22 sincos)( , (23)
hhhhD 122121
2 sincossincos)( . (24)
Коэффициент B определяется согласно (3), 2,1 – согласно (9), а переход от
полярных координат к декартовым координатам дает
22 yxr , )/()(2cos 2222 yxyx . (25)
Подставляя выражения (17) и (22) в (18)получаем радиальную компоненту
напряжения в угольном пласте при гидроимпульсном нагнетании жидкости в
скважину, с учетом влияния подошвы и кровли
)(
)(2 22)2(
022
22)2(
1
1
11)( yxkH
b
k
yx
yxkH
Bstr
rr
),(
2
21
211 yxInt
ik
, (26)
где
)1(2
E
,
)1(2
21
2
2
2
1
k
k
b . (27)
3. Зависимости радиальных напряжений в окрестности скважины от
расстояния до ее центра
Для оценки влияния подошвы и кровли угольного пласта на радиальные
напряжения, были проведены расчеты зависимостей
)(str
rr от радиальной коор-
динаты r в направлении угла 4/ . В этом случае в (25) следует полагать
hyx , 222 ax , а в интеграле (22) – )21/()21( и 0 . Тогда вы-
ражение (26) принимает вид
)2(
)2(2
),( 1
11)( )2(
0
)2(
1
)1(2
xkH
b
k
x
xkH
Bxx
Estr
rr
66
),(
2
21
211 xxInt
ik
, (28)
а интеграл (22) выражается в виде
0
coscos
)(
)(
1
1),( dxx
hi
e
D
M
xxInt . (29)
Подинтегральная функция в (29) имеет вещественные полюса, являющиеся
простыми нулями трансцендентного уравнения:
21
2
2
1
htg
htg
. (30)
Поэтому интеграл (29) вычисляем на основе теории вычетов, представив его
следующим образом:
0
)(
)(
),( dxxxInt
Q
P
, (31)
xxe
hi
h
htg
i
P coscos 1
1
11
2
21
2
cos
1
)( , (32)
htghtgQ
2
21
2
1
)( . (33)
Согласно теории вычетов имеем
)(
)(
Res),(
2
2
1
1
)(
)(
)(
)(
)(
)(
00
k
k
k
k
k
k
k
Q
P
idxdxdxxxInt
Q
P
Q
P
Q
P
. (34)
Здесь интеграл вычисляется на трех промежутках в силу различного пред-
ставления радикалов 21, согласно указанному в (9) выбору ветвей. Интегралы
в (34) вычисляются в смысле главного значения Коши, а вычеты определяются
выражениями:
kk
ddQ
P
Q
P k
/)(
)(
)(
)(
Res , (35)
67
h
h
htg
h
h
htg
d
dQ
1
2
1
23
212
3
1
3
2
2
2
2
2
21 cos
11
cos
2
)(
, (36)
где k – k -й корень трансцендентного уравнения (30).
На рисунке 2 представлены пространственные зависимости модулей ради-
альных компонент тензоров напряжений вокруг скважины в слое толщины
22h м и в безграничной упругой среде, возникающие при частоте импульсов
кавитационных автоколебаний 1000f Гц для параметров среды: 4E ГПа,
2,0 .
Рис. 2 – Зависимость радиальной компоненты тензора напряжений вокруг скважины
в слое и в безграничной упругой среде от расстояния до оси скважины
при гидроимпульсном нагнетании жидкости
Кривая 1 соответствует динамической составляющей напряжения (17) –
)(din
rr в безграничной среде, кривая 2 – полному напряжению
)(Hidro
rr в безгра-
ничной среде, с учетом статической составляющей
)(st
rr [1]. Кривые 3 и 4 соот-
ветствуют динамической составляющей напряжения (26) –
)(str
rr в слое и пол-
ному напряжению
)()( st
rr
str
rr в слое, с учетом постоянной, статической со-
ставляющей импульса давления [1]. Анализ зависимостей позволяет отметить
68
повышение радиальных напряжений в угольном пласте, в сравнении с анало-
гичными напряжениями в безграничной среде.
В работе [1] была дана оценка радиальных напряжений вызванных кавита-
ционными автоколебаниями жидкости в скважине, расположенной в безгра-
ничной среде. Наличие границ в угольном пласте и условия на границах пласт –
боковые породы могут оказывать определенное влияние на распределение
напряжений в пласте, в сравнении с их распределением в безграничном масси-
ве. Из строгого решения статической задачи для полуплоскости с круговым от-
верстием, полученного Д.И. Шерманом, следует, что влияние свободной от
напряжений земной поверхности на напряженное состояние можно не учиты-
вать уже на глубине более пяти радиусов [7]. С одной стороны мы используем
этот факт учитывая статическую составляющую напряжения в слое, такую же
как и в случае безграничной среды [1] st
st
rr p
r
a
r
2
2
)( )( . С другой стороны, при
расчетных значениях радиуса скважины 025,0ar м, и толщины слоя –
22h м, расстояние от границ плоской поверхности до скважины составляет
a40 . Однако в этом случае, очевидно в силу динамического характера задачи,
влияние границ на напряженное состояние ощутимо. Оценим такое влияние,
рассмотрев на рис.3 кривые 1 и 2, характеризующие полные радиальные
напряжения вокруг скважины в безграничной среде и в слое (без учета горного
давления).
Рис. 3 – Влияние границ угольного пласта на распределение радиальных напряжений
в окрестности скважины.
Из рис. 3 видно, что учет сцепления границ угольного пласта, с окружаю-
щей породой, приводит к замедлению спадания напряжений при удалении от
поверхности скважины, в сравнении со случаем изменения напряжения по ра-
диальной координате в безграничной среде. Так на расстоянии 28,0r м, (что
69
составляет ar 11 ) от центра скважины, напряжения в слое больше напряже-
ния в безграничной среде в 67,2 раза, а на расстоянии 078,1r м a43 , отно-
шение напряжения в слое к напряжению в безграничной среде составляет 4,88.
Выводы
Анализ проведенных расчетов показывает, что качественно картина измене-
ния напряжения в слое при удалении от скважины немонотонна. При указанных
выше параметрах среды напряжения от поверхности скважины до расстояния
71,0r м спадает монотонно, затем идет возрастание до максимума
51069,1 Па на расстоянии 078,1r м, и далее приближаясь к поверхности
слоя, убывает. В то же время в безграничной среде напряжения при удалении
от поверхности скважины убывают монотонно и быстрее чем в слое.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сницер А.Р. Исследование радиальных напряжений вокруг скважины при гидроимпульсном рыхлении
угольных пластов / А.Р. Сницер, В.В. Зберовский, Д.Л. Васильев, А.А. Потапенко, А.А. Ангеловский // Геоте х-
ническая механика. Межвед. сб. научн. трудов. – Днепропетровск: – 2011. – № 95. – С. 43-53.
2. Новацкий В. Теория упругости. /В. Новацкий – М.: Мир, 1975. – 872 с.
3. Сницер А.Р. Волны при нормальном гармоническом нагружении скважины в упругой среде. I. Структу-
ра волнового поля на поверхности скважины и в дальней зоне. / А.Р. Сницер // Динамические системы. –2006. –
Вып. 20 – С. 67-88.
4. Гринченко В.Т. Гармонические колебания и волны в упругих телах. / В.Т. Гринченко, В.В. Мелешко -
Киев: Наук. думка, 1978.- 264 с.
5. Градштейн И.С. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений / И.С. Градштейн, И.М. Рыжик – М:
Изд. Физ.-мат. литературы, 1962. – 1100 с.
6. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела / Ю.Н. Работнов – М.: Наука, 1979. – 744 с.
7. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений / Н.С. Булычев – М.: Недра, 1982. –272 с.
УДК 550.34.016:620.173
Кандидаты техн. наук Ю.Н. Пилипенко,
Р.А. Дякун
(ИГТМ НАН Украины)
ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ
ПРИ РАЗРУШЕНИИ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННОГО УГЛЯ
И ГОРНЫХ ПОРОД
Досліджено фізико-механічні характеристики гірських порід і вугілля різного ступеня
метаморфізму в флюїдонасиченому стані. Діагностика стану виконана комплексом методів –
сейсмоакустичного і електрометричного. Встановлено вплив флюїду на зміну міцнісних та
деформаційних властивостей геоматеріалу і параметри руйнування. .
GEOPHYSICAL MONITORING OF CRACK FRACTURE FLUID-
SATURATED COALS AND ROCKS
The physical-and-mechanical characteristics of rocks and coals of different metamorphic grade
in fluid-saturated state were investigated. State diagnostics was made by means of seismoacoustic
and electrometric methods. The fluid influence on geomaterials’ strength and deformation
properties and destruction parameters were determined.
Охрана труда на шахтах связана с разработкой технических решений,
направленных на нейтрализацию ухудшающихся горно-геологических условий
|