CZ306022B6 - Zařízení pro vytvoření hydraulického tlaku a vytvoření hydraulických rázů ve zvodněném prostředí ve vrtech - Google Patents

Abstract

Zařízení pro vytvoření hydraulického tlaku a vytvoření hydraulických rázů ve zvodněném prostředí ve vrtech zahrnuje ovládací pult, nádrže a agregáty pro vytvoření požadovaných zejména tlakových parametrů médií. Zmíněné nádrže a agregáty jsou sestaveny do dvou tlakových okruhů, z nichž první tlakový okruh (12) pro pracovní médium sestává z nádrže (1) na vodu s podávacím čerpadlem (15), která je nízkotlakým potrubím (7) propojena s vysokotlakým agregátem (2), z něhož je vyveden rozvod (8) vysokotlaké vody do rázového zařízení (4) a z něj do těsnicího pakru (6) přívodem (11) vysokotlaké vody pro štěpení. Druhý tlakový okruh (13) pro ovládací médium je tvořen hydraulickým agregátem (3) s rozvodem (14) hydraulického oleje vedeným do rázového zařízení (4), a oba okruhy (12, 13) jsou komunikačně spojeny s ovládacím pultem (5) pro řízení parametrů médií v obou okruzích (12, 13) a pro ovládání rázového zařízení (4) a utěsnění těsnicího pakru (6) ve vrtu.

Description

Zařízení pro vytvoření hydraulického tlaku a vytvoření hydraulických rázů ve zvodněném prostředí ve vrtech

Oblast techniky

Vynález se obecně týká mechaniky hornin, zejména odolnosti horninového prostředí vůči hydraulickému štěpení. Konkrétně se pak vynález týká zařízení pro vytvoření hydraulického tlaku a vytvoření hydraulických rázů ve zvodněném prostředí ve vrtech. Porušením horniny tlakem štěpící kapaliny dochází k zvýšení četnosti puklinové sítě aktivací starých, nebo vytvořením nových puklin, čímž se zvyšuje hydraulická propustnost horniny.

Současný stav techniky

Při využívání horninového prostředí je v některých případech nutné uměle navýšit míru rozvolněnosti horninové matrice neexplozivním způsobem. Na četnosti puklin a jejich dostatečném rozevření je často závislá možnost exploatace některých zdrojů surovin, ložisek a energie, např. geotermální energie, podzemní vody z puklinových kolektorů, jímání ropných uhlovodíků.

Bylo vyvinuto několik různých konceptů rozvolnění horninové matrice - stimulace puklinového systému ve vrtech. Mezi tři hlavní typy stimulací řadíme hydraulické štěpení, tepelně indukované štěpení a chemické štěpení.

Více než třicet let se mezi standardní stimulační metodiky využívané při získávání uhlovodíků z horninového prostředí řadí první z výše zmíněných typů stimulace puklinového systému, tj. hydraulické štěpení. Technika spočívá ve vhánění fluid pod vysokým tlakem přes vrt do horninového prostředí. Vháněné fluidum vytváří v horninovém prostředí nové poruchy, nebo zvětšuje stávající poruchy vlivem hydraulického tlaku.

Pro vznik nových puklin je nezbytnou podmínkou, aby množství vháněného materiálu významně přesáhlo ztráty materiálu způsobené stávající puklinovou síti v horninovém prostředí. Při splnění této podmínky se poruchy nově vytvářejí, případně rozšiřují.

Téměř všechny horniny a půdy lze rozštěpit za předpokladu dostatku energie, úsilí a času. V závislosti na vlastnostech horniny, geologické formace a fluida jsou v současnosti využívány tři typy hydraulického štěpení, či jejich kombinace, a to štěpení vodou, hydraulické štěpení s propantem a hybridní štěpení.

Ve vztahu k předmětnému řešení, které je obsahem této přihlášky vynálezu lze k hydraulickému štěpení vodou poznamenat, že se nejčastěji používá za účelem propojit nekomunikující vzdálenější oblast přirozeného puklinového systému s nově vytvářenou síti puklin, čímž se zvýší přítok v požadované oblasti. Při hydraulickém štěpení vodou lze aplikovat konstantní průtok během celého procesu, nebo se průtok může měnit v cyklech se střídavě vyššími a nižšími hodnotami průtoku.

Laboratorní simulace ukázaly, že dopad cyklicky měněných průtoků na poruchy v horninovém masivu je větší, než při konstantním průtoku i v případě časově omezeného působení cyklických průtoků.

Žádný ze stávajících systémů hydraulických štěpících zařízení však dosud neumožňuje aplikaci pulzních kmitočtů v terénním měřítku. Vždy se jedná pouze o cyklickou změnu intenzity průtoku, tzn. např. jeho škrcením a uvolňováním. Z praktického pohledu se jedná o energeticky vysoce náročnou technologii s malou efektivitou.

- 1 CZ 306022 B6

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky stavu techniky jsou odstraněny zařízením pro vytvoření hydraulického tlaku a vytvoření hydraulických rázů ve zvodněném prostředí ve vrtech podle vynálezu, kde zařízení zahrnuje nádrže a agregáty pro vytvoření požadovaných parametrů médií, jehož podstatou je to, že zmíněné nádrže a agregáty jsou sestaveny do dvou tlakových okruhů, z nichž první tlakový okruh pro pracovní médium sestává z nádrže na vodu s podávacím čerpadlem, která je nízkotlakým potrubím propojena s vysokotlakým agregátem, z něhož je vyveden rozvod vysokotlaké vody do generátoru rázů a z něj do těsnicího pakru přívodem vysokotlaké vody pro štěpení, přičemž druhý tlakový okruh pro ovládací médium je tvořen hydraulickým agregátem s rozvodem hydraulického oleje vedeným do rázového zařízení, a oba okruhy jsou komunikačně spojeny s ovládacím pultem pro řízení parametrů médií v obou okruzích a pro ovládání rázového zařízení jakož i to, že těsnicí pakr je svým přívodem pro přívod média k upevnění ve vrtu připojen na rozvod vysokotlaké vody, nebo že těsnicí pakr je svým přívodem pro přívod média k upevnění ve vrtu připojen na rozvod hydraulického oleje.

Podstatou zařízeni je rovněž to, že rozvod vysokotlaké vody je napojen na vstup se zpětným ventilem ve spodní části tělesa plunžru rázového zařízení, přičemž horní část plunžru vystupující z tělesa plunžru je opatřena úderníkem pro spojení se zdrojem rázů.

Předložené řešení zásadním způsobem modifikuje štěpení vodou. Výhodou navrženého zařízení je větší efektivita pulzního tlaku proti dosavadním způsobům štěpení konstantním tlakem, nebo cyklickou změnou intenzity průtoku. Vyšší účinnosti hydraulického štěpení se předloženým řešením dosahuje pomocí hydraulických rázů opakujících se v krátkých časových intervalech - pulzech. V praktické realizaci byla potvrzena účinnost pulzního štěpení v rozsahu frekvencí až do 15 herz. Navrženým zařízením se generuje požadovaný tlak s následným uvolněním tzv. pulzního tlaku, kdy při dosažení stanovené tlakové úrovně dojde k jeho okamžitému uvolnění v požadovaném směru a intenzitě s výsledným efektem rozštěpení horniny. Zařízením se vytváří hydraulický tlak a vyvolávají se hydraulické rázy v prostředí vyplněném tlakovou vodou. Zařízení umožňuje jak statické zatěžování horniny lineárním tlakem, tak i dynamické zatěžování horniny pulzním tlakem. Výsledným efektem je porušení kompaktního křehkého horninového prostředí použitím pulzního tlaku uvolněného přes speciálně upravený pakr ve vrtu. Hermeticky utěsněný systém včetně aplikačního vrtu je kontinuálně natlakován lineárním tlakem podle potřeby až do max. hodnoty 30 MPa. Schopnost systému doplňovat úniky je v rozsahu až 10 1/min.

Objasnění výkresů

Zařízení pro vytvoření hydraulického tlaku a vytvoření hydraulických rázů ve zvodněném prostředí ve vrtech podle vynálezu je znázorněno na přiložených výkresech, kde představuje obr. 1 blokové schéma zařízení s odbočkou tlakové vody k upnutí pakru, obr. 2 blokové schéma zařízení s odbočkou tlakového oleje k upnutí pakru a obr. 3 rázové zařízení.

Příklady uskutečnění vynálezu

Jak je vidět z obr. 1 a obr. 2 zařízení podle vynálezu je v podstatě tvořeno dvěma tlakovými okruhy a sice prvním tlakovým okruhem 12 pro pracovní médium a druhým tlakovým okruhem 13 pro ovládací médium, které jsou v komunikačním propojení s ovládacím pultem 5 pro operativní řízení celého zařízení.

První tlakový okruh 12 zahrnuje nádrž 1, jako zásobník pracovního média, v tomto případě zásobník na vodu s podávacím čerpadlem 15, které je svým výstupem připojeno na vysokotlaký agregát 2. Vysokotlaký agregát 2 slouží jako zdroj tlakové vody pro provádění statických zkou

-2CZ 306022 B6 šek a dynamických zkoušek. Případně i pro upnutí těsnicího pakru 6 ve vrtu - viz obr. 1. Vysokotlaký agregát 2 je rozvodem 8 vysokotlaké vody propojen s rázovým zařízením 4, z něhož je přívodem 11 vedena vysokotlaká voda pro hydraulické štěpení horniny do těsnicího pakru 6. Před rázovým zařízením 4 je v této variantě podle obr. 1, provedena odbočka 10 s uzavíracím ventilem 9 pro přívod vysokotlaké vody k upnutí těsnicího pakru 6 ve vrtu.

Druhý tlakový okruh 13 pro ovládací médium v podstatě sestává z hydraulického agregátu 3 s rozvodem 14 hydraulického oleje připojeného k rázovému zařízení 4. Z rozvodu 14 hydraulického oleje je ve variantním řešení pro upínání těsnicího pakru 6 ve vrtu vedena odbočka 19 s uzavírací armaturou 20, jak je znázorněno na obr. 2. Hydraulickým agregátem 3 se ve druhém tlakovém okruhu 13 vytváří prostřednictvím náplně hydraulického oleje tlakové podmínky pro pohon rázového zařízení 4, a jak je uvedeno výše případně i pro upínání těsnicího pakru 6 ve vrtu.

Jak je znázorněno na přiložených obr. 1, 2 oba tlakové okruhy 12, 13 jsou vedeny přes ovládací pult 5 umožňující bezpečné ovládání všech operačních částí zařízení podle vynálezu, kde jsou příslušné provozní parametry, jako jsou např. tlak a průtok pracovního a ovládacího média, snímány neznázoměnými snímači. Nicméně, zařízení je možné ovládat nejen centrálně prostřednictvím ovládacího pultu 5, ale rovněž je možné separátní ovládání operačních částí zařízení tj. vysokotlakého agregátu 2, hydraulického agregátu 3.

Nezbytnou součástí zařízení podle vynálezu je rázové zařízení 4 znázorněné na obr. 3. Toto rázové zařízení 4 je tvořeno masivním rámem 21, v němž je pevně uchyceno těleso 18 plunžrového čerpadla, které má ve své spodní části vstup pro připojení rozvodu 8 vysokotlaké vody z prvního tlakového okruhu 12 a výstup pro připojení přívodu 11 vysokotlaké vody do těsnicího pakru 6. Horní, z tělesa 18 plunžrového čerpadla vyčnívající část plunžru 17 je opatřena úderníkem 16, který je spřažen s generátorem 22 rázů. Generátor 22 rázů je rozvodem 14 hydraulického oleje propojen s hydraulickým agregátem 3.

Při provozním použití zařízení podle tohoto vynálezu se z nádrže 1 naplněné vodou dopravuje podávacím čerpadlem 15 voda přes neznázoměný filtr mechanických nečistot do vysokotlakého agregátu 2. Vysokotlaký agregát 2 generuje tlakovou kapalinu jako přímý zdroj tlakové vody pro provádění statického i dynamického (rázového) rozvolňování hornin. Za tímto účelem se tlaková voda z vysokotlakého agregátu 2 přivádí rozvodem 8 prvního tlakového okruhu 12 přes rázové zařízení 4 do těsnicího pakru 6, který je umístěn ve vrtu a upevněn toutéž tlakovou vodou přivedeno do jeho upínacího ústrojí přes uzavírací ventil 9 v odbočce 10. Po upnutí těsnicího pakru 6 ve vrtu se uzavřením uzavíracího ventilu 9 průtok tlakové vody odbočkou 10 uzavře a tlaková voda se přivádí těsnicím pakrem 6 do vrtu. V důsledku svého tlakového potenciálu tlaková voda proniká do trhlin, nebo je sama tvoří a tak dochází k hydraulickému štěpení horninového prostředí.

V případě použití tlakového oleje pro upnutí těsnicího pakru 6 ve vrtu - viz obr. 2, se uvede nejdříve do činnosti hydraulický agregát 3 pro potřebné zvýšení tlaku hydraulického oleje v druhém tlakovém okruhu 13. U tohoto provedení vynálezu je odbočka 10 vysokotlaké vody nahrazena odbočkou 19 hydraulického oleje pro upínání pakru 6. Tato odbočka 19 je vedena z druhého tlakového okruhu 13 do vstupu upínacího zařízení těsnicího pakru 6, jíž se přivádí uzavírací armaturou 20 tlakový olej pro upnutí těsnicího pakru 6 ve vrtu. Po jeho upnutí následují kroky, které jsou již uvedené dříve.

V realizovaném provedení vytváří vysokotlaký agregát 2 provozní tlak vody až 300 bar. Vysokotlaký agregát 2 se ovládá buď přímo prostřednictvím ovládacích prvků na elektroskříni, nebo na centrálním ovládacím pultu 5. Regulace tlaku vody se provádí přepouštěcím ventilem umístěným na vysokotlakém agregátu 2, nebo na ovládacím pultu 5. Tlak vody je možné regulovat v rozsahu 50 až 300 bar. Kontrolu tlaku je možné sledovat na manometru umístěném na vysoko

-3 CZ 306022 B6 tlakém agregátu 2, nebo v případě regulace z centrálního ovládacího pultu 5 je druhý manometr umístěn na tomto ovládacím pultu 5.

V případě potřeby dynamického zatěžování hornin se uvede do činnosti hydraulický agregát 3, jímž se vytváří příslušný tlak náplně hydraulického oleje, který tvoří ovládací médium druhého tlakového okruhu 12. Tlakový olej je rozvodem 14 veden přes ovládací pult 5 do rázového zařízení 4, konkrétně do generátoru 22 rázů. Neznázorněný příklepový prvek generátoru 22 rázů působí přes úderník 16 na plunžr 17. Kmity generátoru 22 rázů se prostřednictvím výše uvedených elementů přenášejí na tlakovou vodu, kterou je naplněn první tlakový okruh 22 počítaje v to i vrt s puklinami v hornině. Hydraulickými rázy s frekvencí v rozsahu do 10 Hz proniká tlaková voda do trhlin nebo sama trhliny vytváří. V přívodu tlakové vody do rázového zařízení 4 je vložen neznázorněný zpětný ventil k zabránění přenosu rázů zpět do prvního tlakového okruhu 12. Voda se doplňuje průběžně, takže prostředí do kterého jsou směrovány hydraulické rázy je stále plněno vodou s tlakem vyvolaným vysokotlakým agregátem 2. Generátor 22 rázů se ovládá z ovládacího pultu 5 prostřednictvím neznázoměného hydraulického rozvaděče a škrticího ventilu a dále tlaku hydraulického agregátu 3. Nastavení frekvence pulzů se provádí ručně na ovládacím pultu 5 regulací průtoku tlakového oleje do generátoru 22 rázů. Pulzní rozsah závisí na typu použitého generátoru 22 rázů.

V realizovaném a zkušebním provedení zařízení podle tohoto vynálezu byl použit generátoru 22 rázů s provozním tlakem až 90 bar, s frekvencí pulzů v rozsahu 7,5 až 19,1 Hz docilující energie na úder 350 J. Nastavení amplitudy pulzů se provádí v pracovní části generátoru 22 pulzů.

Je samozřejmé, že konkrétní provedení se mohou lišit v místech osazení příslušných armatur, snímacích čidel a počtu obou zmíněných elementů. Nicméně takovéto modifikace nikterak nevybočují z rámce, který je nastaven zde navrženým zařízením.

Claims (4)

1. Zařízení pro vytvoření hydraulického tlaku a vytvoření hydraulických rázů ve zvodněném prostředí ve vrtech zahrnující ovládací pult, nádrže a agregáty pro vytvoření požadovaných zejména tlakových parametrů médií, vyznačující se tím, že zmíněné nádrže a agregáty jsou sestaveny do dvou tlakových okruhů, z nichž první tlakový okruh (12) pro pracovní médium sestává z nádrže (1) na vodu s podávacím čerpadlem (15), která je nízkotlakým potrubím (7) propojena s vysokotlakým agregátem (2), z něhož je vyveden rozvod (8) vysokotlaké vody do rázového zařízení (4) a z něj do těsnicího pakru (6) přívodem (11) vysokotlaké vody pro štěpení, přičemž druhý tlakový okruh (13) pro ovládací médium je tvořen hydraulickým agregátem (3) s rozvodem (14) hydraulického oleje vedeným do rázového zařízení (4), a oba okruhy (12, 13) jsou komunikačně spojeny s ovládacím pultem (5) pro řízení parametrů médií v obou okruzích (12, 13) a pro ovládání rázového zařízení (4) a utěsnění těsnicího pakru (6) ve vrtu.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že těsnicí pakr (6) je odbočkou (10) pro přívod média k upevnění ve vrtu připojen na rozvod (8) vysokotlaké vody.

3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že těsnicí pakr (6) je odbočkou (20) pro přívod média k upevnění ve vrtu připojen na rozvod (14) hydraulického oleje.

4. Zařízení podle nároku kteréhokoliv z předchozích nároků laž3, vyznačující se tím, že rozvod (8) vysokotlaké vody je napojen na vstup se zpětným ventilem ve spodní části tělesa (18) plunžru rázového zařízení (4), přičemž horní část plunžru (17) je opatřena úderníkem (16) pro spřažení s generátorem (22) rázů.