Способ гидравлической обработки угольного пласта

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для дегазации угольных пластов с целью повышения безопасности горных работ в шахтах, а также для добычи метана из угольных пластов. Способ гидравлической обработки угольного пласта включает бурение скважины с поверхности с последующим ее обустройством. Воздействуют давлением рабочей жидкости на пласт в режиме гидрорасчленения, затем при свободном истечении жидкости из скважины создают гидравлические удары, циклически перекрывая поток этой жидкости и сбрасывая ее в атмосферу. Гидравлические удары создают при амплитуде гидравлического удара, величина которого не менее величины устьевого давления до ее первоначального истечения. Длительность перекрытия и сброса жидкости в каждом цикле принимают одинаковыми. Время воздействия гидравлических ударов на пласт в цикле определяют из математического выражения. Создание гидравлических ударов прекращают, когда максимальное давление гидравлического удара в цикле становится меньше величины устьевого давления жидкости до ее первоначального истечения из скважины. При гидравлической обработке прочных угольных пластов с высоким содержанием метана в начале каждого цикла определяют интервал времени увеличения устьевого давления гидравлического удара до максимального значения. Выпуск жидкости в атмосферу осуществляют через следующий интервал времени, равный предыдущему, в данном цикле. Расширяется зона гидравлической обработки пласта при увеличении ее трещиноватости за счет использования энергии рабочей жидкости на стадии и ее истечения из скважины. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для дегазации угольных пластов с целью повышения безопасности горных работ в шахтах, а также для добычи метана из угольных пластов для использования его в промышленности.

Известен способ обработки угольного пласта, включающий бурение скважин и гидрообработку пласта путем чередования режимов - вначале в режиме гидроразрыва до падения давления в скважине, затем в гидроимпульсном режиме с частотой, близкой к частоте собственных колебаний жидкости в скважине и трещинах, до снижения приемистости пласта [1].

Недостатками этого способа являются высокие энергозатраты на реализацию гидроимпульсного режима колебательного движения жидкости в скважине и малый радиус гидрообработки пласта.

Известен способ дегазации угольного пласта через скважину с поверхности, включающий нагнетание рабочей жидкости в угольный пласт в режиме гидрорасчленения пласта с последующим сбросом устьевого давления жидкости до атмосферного давления, при котором происходит свободное истечение жидкости из скважины [2]. Этот способ взят нами в качестве прототипа.

Недостатком данного способа является ограниченный радиус гидравлической обработки угольного пласта ввиду использования энергии гидравлического потока только на стадии закачки воды в пласт.

Задачей изобретения является расширение зоны гидравлической обработки пласта при увеличении ее трещиноватости за счет использования энергии рабочей жидкости на стадии истечения из скважины.

Это достигается тем, что в способе гидравлической обработки угольного пласта через скважину с поверхности, включающем нагнетание рабочей жидкости в угольный пласт в режиме его гидрорасчленения с последующим сбросом устьевого давления жидкости до атмосферного, при котором происходит свободное истечение рабочей жидкости из скважины, при свободном истечении рабочей жидкости из скважины создают гидравлические удары, циклически перекрывая поток этой жидкости и сбрасывая ее в атмосферу при амплитуде гидравлического удара, величина которого не менее величины устьевого давления до ее первоначального истечения, при этом длительность перекрытия и сброса жидкости в каждом цикле принимают одинаковыми, а время воздействия гидравлических ударов на пласт в цикле определяют из выражения: где Δt - длительность времени перекрытия жидкости в цикле, с; k - эмпирический коэффициент, равный 2...10; L - глубина залегания пласта, м; R - радиус зоны гидравлической обработки пласта, м; с - скорость ударной волны в жидкости, м/с, причем создание гидравлических ударов прекращают, когда максимальное давление гидравлического удара в цикле становится меньше величины устьевого давления жидкости до ее первоначального истечения из скважины.

При гидравлической обработке прочных угольных пластов с высоким содержанием метана определяют в начале каждого цикла интервал времени увеличения устьевого давления гидравлического удара до максимального значения, а сброс жидкости в атмосферу осуществляют через следующий интервал времени, равный предыдущему - в данном цикле.

Гидравлическое воздействие на угольный пласт на стадии истечения рабочей жидкости из скважины в вышеуказанных режимах позволяет расширить зону гидравлической обработки угольного пласта и повысить эффективность использования энергии рабочей жидкости.

На фиг. 1 показана технологическая схема реализации способа; на фиг.2,3 схематично представлены режимы давления (Р) и расхода (q) рабочей жидкости при свободном ее истечении из скважины; на фиг.4,5 - аналогичные режимы при гидравлической обработке прочных угольных пластов с высоким содержанием метана.

Способ гидравлической обработки угольного пласта осуществляют следующим образом.

С дневной поверхности бурят скважину 1 до пересечения ее с угольным пластом 2, обсаживают ее трубами 3 с последующим тампонажем затрубного пространства и перфорацией трубы и тампонажного кольца с образованием перфорационных отверстий 4. Обработку угольного пласта начинают с подачи в него рабочей жидкости, например воды, с темпом, превышающим естественную приемистость пласта. После раскрытия трещин 5 происходит продвижение воды по пласту с постепенным расширением зоны гидравлического воздействия. Одна часть воды заполняет свободное поровое пространство угольного пласта, а другая - проникает в породы кровли и почвы. Процесс гидрорасчленения угольного пласта ведут до момента достижения проектного радиуса обработки. После завершения этой стадии гидравлической обработки пласта прекращают нагнетание рабочей жидкости в угольный пласт и сбрасывают устьевое давление (Р) жидкости до атмосферного (Р₀) (фиг.2 и 4). В результате этого реализуется режим свободного истечения рабочей жидкости из скважины с расходом (q₀), происходящий под действием сил горного давления на угольный пласт и пластового давления газа. Далее исходящий из скважины поток жидкости мгновенно перекрывают посредством задвижки 6, при этом длительность перекрытия жидкости в цикле определяют из выражения: где Δt - длительность времени перекрытия жидкости в цикле, с;
k - эмпирический коэффициент, равный 2...10;
L - глубина залегания пласта, м;
R - радиус зоны гидравлической обработки пласта, м;
с - скорость ударной волны в жидкости, м/с.

В начале указанного интервала времени происходит резкое торможение исходящего из скважины потока, заторможенная жидкость сжимается, причем фаза сжатия длится в течение времени (L+R)/c. При сжатии жидкости возрастает давление и реализуется явление гидравлического удара. Давление при гидроударе, с учетом ударного давления (ΔP), превышает первоначальное устьевое давление (P). Ударное давление (ΔP) прямо пропорционально плотности рабочей жидкости (ρ), скорости ударной волны в жидкости (с) и скорости истечения жидкости из скважины (V), т. е. ΔP = ρcV. По данным промышленной реализации технологии гидрорасчленения угольных пластов закачку рабочей жидкости в пласт производят под напорным давлением до 10 МПа с расходом до 70 кг/с, а при свободном истечении жидкости ее первоначальный максимальный расход (q₀) составляет 70% от расхода воды при закачке жидкости в скважину. Исходя из вышеуказанных параметров, давление при гидроударе, реализуемое при максимальной скорости истечения жидкости из скважины, превышает давление режима закачки в 1,5...2 раза. После фазы сжатия жидкости реализуется фаза растяжения, в процессе которой давление жидкости уменьшается. Длительность фаз сжатия и растяжения при одном гидроударе составляет 2•(L+R)/c. Процесс сжатия и растяжения жидкости при закрытой задвижке в течение интервала времени Δt происходит многократно, что позволяет осуществить гидравлическую обработку пласта в режиме гидравлических ударов. При этом происходит затухание амплитуды гидроударов, причем интенсивность их затухания зависит от скорости истечения жидкости. Практически, при пяти фазах сжатия и растяжения жидкости на первой стадии ее истечения давление гидроударов уменьшается от максимального значения до величины, соответствующей нижнему пределу эффективности обработки пласта. В этом случае длительность перекрытия заслонки составляет 10(L+R)/c. При амплитуде гидравлического удара не менее величины устьевого давления до первоначального истечения жидкости задвижку 6 открывают и сбрасывают давление жидкости до атмосферного. Длительность сброса жидкости в атмосферу равна длительности перекрытия потока жидкости. При сбросе устьевого давления жидкости до атмосферного ее скорость истечения возрастает от нуля до максимального значения, а затем стабилизируется за то же время, в течение которого поток жидкости был перекрыт, поскольку сжатие и растяжение жидкости происходит по аналогичному механизму. Далее цикл повторяется. В последующих циклах время перекрытия потока уменьшают от Δtʹ до Δtʺ (см. фиг.2) в пределах изменения эмпирического коэффициента от k=10 до k=2, что обусловлено затуханием и снижением амплитуды гидроударов в процессе истечения жидкости из скважины. Режим обработки угольного пласта гидравлическими ударами завершают, когда максимальное давление гидроудара в цикле становится меньше величины устьевого давления жидкости до ее первоначального истечения из скважины. Данный режим гидрообработки применим в угольных пластах с низкой прочностью.

При гидрообработке прочных угольных пластов с высоким содержанием метана гидравлические удары производят на первой фазе сжатия-растяжения жидкости. В данном случае на фазе сжатия жидкости определяют интервал времени Δt₁ (фиг. 4) увеличения устьевого давления гидроудара от атмосферного значения до максимального - посредством манометра 7, показания которого обрабатывает микропроцессор 8. На фазе падения давления жидкости от максимума микропроцессор 8 передает соответствующий сигнал на механизм 9 перемещения задвижки, которая открывает скважину через интервал времени Δt₁, равный интервалу времени нарастания нагрузки до максимума. Механизм 9 перемещения задвижки выполнен, например, в виде плоской заслонки, приводимой в движение электродвигателем (не показано). Сброс жидкости в атмосферу осуществляют в течение времени 2Δt₁. Далее цикл повторяется. В последующих циклах гидрообработки нарастание нагрузки до максимума происходит в другие времена Δt₂...Δt₃ (фиг. 4), что обусловлено увеличением радиуса гидрообработки пласта и изменением его физико-механических свойств.

Воздействие на угольный пласт импульсами гидроударов с амплитудой, превышающей давление (Р) жидкости до первоначального истечения, обеспечивает более полное раскрытие микротрещин в угольном пласте, а следовательно - более эффективную его гидрообработку при насыщении водой, что интенсифицирует дегазацию угольного пласта.

Пример реализации способа.

Способ гидравлической обработки угольного пласта реализуется на шахтном поле производственного объединения "Воркутауголь". Угольный пласт мощностью 6 м вмещает средний каменный уголь крепостью не более f=1 по шкале проф. Протодьяконова М.М., эффективной пористостью 2,2% залегает на глубине L=370 м. Процесс гидравлической обработки пласта в режиме гидрорасчленения длится t=10 ч. Средний расход рабочей жидкости - воды (плотность ρ=1000 кг/м³), закачиваемой в пласт за указанное время, составляет q=70 кг/с. В процессе гидрообработки пласта вода распространяется в радиальном от скважины направлении. Радиус гидрообработки при указанных условиях составляет около 70 м, а устьевое давление жидкости до ее первоначального истечения - Р=7,2 МПа.

В дальнейшем процесс гидрообработки пласта производят в режиме гидравлических ударов, реализуемых на стадии свободного истечения воды из скважины. Время перекрытия задвижки при скорости ударной волны с=1100 м/с составляет

Учитывая невысокую крепость угля, принимаем время перекрытия Δt=3 с, входящее в рекомендуемый диапазон. Затем задвижку открывают и в течение того же времени Δt=3 с осуществляют сброс жидкости из скважины. Циклическое перекрытие и сброс жидкости осуществляют посредством механического перемещения задвижки. При мгновенном перекрытии задвижки, например, на первом цикле, движущаяся по скважине вода останавливается, постепенно сжимаясь от слоя к слою (начиная от слоя у задвижки). При этом одновременно повышается устьевое давление (Р=7,2 МПа) на величину ударного давления (ΔP). Скорость свободного истечения при диаметре трубы 0,1 м в начальный момент истечения составляет

Следовательно, величина ударного давления на первой фазе сжатия равна
ΔP=1000 кг/м^з•1100 м/c•6,2 м/c=68,2•10⁵ Пa≈6,8 МПа,
при этом давление гидроудара составит (7,2+6,8)=14,0 МПа, которое почти в два раза превосходит величину р₀. На следующих фазах сжатия воды в данном цикле амплитуда ударного давления затухает, через время Δt=3 с. заслонку открывают и осуществляют сброс жидкости в течение того же времени Δt₁=3 с. В дальнейшем цикл повторяют. В результате действия на угольный пласт гидравлических ударов на стадии свободного истечения воды из скважины происходит увеличение радиуса зоны гидравлической обработки пласта в среднем на 15%, что следует из анализа аналитической модели процесса гидрорасчленения и имеющегося производственного опыта. Радиус гидрообработки в предложенном способе составит 70•1,15= 80,5 м. Кроме того, гидравлические удары приводят к образованию микротрещин в угольном пласте, особенно в ближней от скважины зоне, что способствует большему проникновению воды и, как следствие, вытеснению метана из зоны гидрообработки. В конечном итоге описанные физические процессы приводят к повышению степени дегазации угольного пласта. Положительный эффект от реализации технического решения заключается в повышении безопасности горных работ при последующей добычи угля из зоны гидравлической обработки, увеличению степени извлечения пластового метана, сокращению затрат на бурение скважин с поверхности.

По второму варианту реализации способа в условиях ПО "Воркутауголь" гидравлической обработке подвергается угольный пласт, состоящий из каменного угля крепостью более f=1,5 и метанообильностью более 20 м^з/т. Учитывая высокую крепость и метанообильность угля, в соответствии с предложенным способом реализуют гидравлическую обработку пласта на стадии свободного истечения жидкости с использованием во всех циклах только первой фазы волны гидравлического удара, возникающей при мгновенном перекрытии задвижки. В данном случае электрический сигнал, поступающий от самопишущего манометра, например МГС-710, подают на микропроцессор, например Pentium-75. Микропроцессор измеряет время нарастания давления гидравлического удара до максимума.

В первом цикле указанное время составило Δt₁=0,4 с. В последующих циклах время нарастания давления до максимума имеет тенденцию к увеличению. При этом на стадии падения нагрузки микропроцессор выдает соответствующий сигнал на механизм перемещения задвижки, которая закрывает скважину через следующий интервал времени, равный предыдущему. В первом цикле следующий интервал времени закрытия задвижки также составляет Δt₁=0,4 с, а ее открытие осуществляют через время 2Δt₁=0,8 с. Моменты открытия и закрытия задвижки в последующих циклах выбирают в зависимости от измеренных значений Δt₂,Δt₃ и т.д. Гидродинамическую обработку завершают при условии, когда амплитуда гидроудара становится меньше величины устьевого давления жидкости до ее первоначального истечения из скважины.

Реализация предложенного способа гидродинамической обработки пласта позволила увеличить радиус зоны гидрообработки на 15% без дополнительных источников энергии.

Источники информации
1. Авторское свидетельство 939784, кл. E 21 F 7/00, 1980г.

2. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений.-М.: изд-во МГГУ, 1996г., с. 17-19 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ гидравлической обработки угольного пласта через скважину с поверхности, включающий нагнетание рабочей жидкости в угольный пласт в режиме его гидрорасчленения с последующим сбросом устьевого давления жидкости до атмосферного, при котором происходит свободное истечение жидкости из скважины, отличающийся тем, что при свободном истечении рабочей жидкости из скважины создают гидравлические удары, циклически перекрывая поток этой жидкости и сбрасывая ее в атмосферу при амплитуде гидравлического удара, величина которого не менее величины устьевого давления до ее первоначального истечения, при этом длительность перекрытия и сброса жидкости в каждом цикле принимают одинаковыми, а время воздействия гидравлических ударов на пласт в цикле определяют из выражения

где Δt - длительность времени перекрытия жидкости в цикле, с;
k - эмпирический коэффициент, равный 2-10;
L - глубина залегания пласта, м;
R - радиус зоны гидравлической обработки пласта, м;
с - скорость ударной волны в жидкости, м/с,
причем создание гидравлических ударов прекращают, когда максимальное давление гидравлического удара в цикле становится меньше величины устьевого давления жидкости до ее первоначального истечения из скважины.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при гидравлической обработке прочных угольных пластов с высоким содержанием метана определяют в начале каждого цикла интервал времени увеличения устьевого давления гидравлического удара до максимального значения, а сброс жидкости в атмосферу осуществляют через следующий интервал времени, равный предыдущему, в данном цикле.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5