Способ термогидродинамического воздействия на газоносный угольный пласт

 

Изобретение относится к горному делу, в частности, может быть использовано для извлечения метана из газоносных угольных пластов. Техническим эффектом изобретения является повышение дебита извлекаемого угольного метана и степени дегазации угольного пласта с одновременным снижением удельных затрат на дегазацию угольных пластов. Способ состоит в бурении скважин и гидравлическом разрыве через них угольного пласта путем импульсного нагнетания жидкости и воздуха. Скважины соединяют щелью гидроразрыва и извлекают из скважин угольный метан. Периодически закрывают скважину-сток, повышают давление на нагнетательной скважине до величины, близкой к давлению разрыва угольного пласта. Причем цикл "открытие-закрытие" скважины-стока повторяют многократно, а жидкость нагнетают в угольный пласт через обе скважины в режиме "включено-выключено". 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области горного дела, в частности, может быть использовано для извлечения метана из газоносных угольных пластов.

Известен способ гидродинамического воздействия на угольный пласт /1/, согласно которому для создания первоначальных каналов газификации подземного газогенератора применяют гидравлический разрыв угольного пласта с последующей промывкой водой и затем продувкой воздухом образованной щели гидроразрыва.

Недостатком известного способа является невысокая пропускная способность созданной щели гидроразрыва и ничтожно малое воздействие на угольный пласт путем формирования разветвленной сети искусственных трещин.

Известен также способ дегазации горного массива /2/, в котором разветвленную сеть искусственных трещин создают путем импульсной гидрообработки массива с учетом скоростей распространения звука в нем. Однако такое воздействие на массив носит локальный характер и ограничивается небольшой зоной, прилегающей к нагнетательной скважине.

Близким техническим решением является способ дегазации угольного пласта /3/, согласно которому вслед за нагнетанием жидкости гидроразрыва в скважину подают воздух в расчетном объеме. Эффективность данного способа обусловлена освобождением искусственных трещин от жидкости гидроразрыва для последующего извлечения угольного метана. Однако технология известного способа не приводит к необратимым последствиям в щели гидроразрыва в виде механических изменений ее сечения путем отслаивания кусочков угля от стенок щели. Кроме того, способ имеет также локальное распространение вокруг нагнетательной скважины.

Наиболее близкими техническими решениями являются патенты /4, 5/ на способы воздействия на угольный пласт и его дегазации, согласно которым, с одной стороны, количественно регламентируется расход воздуха при импульсной промывке щели гидроразрыва и, с другой стороны, заявляется огневое расширение щели гидроразрыва и буровых каналов по угольному пласту.

Однако и эти изобретения не претендуют на образование в дегазируемом угольном пласте площадной зоны разупрочненного угольного пласта, обеспечивающей интенсивный приток угольного метана в ней, а следовательно, интенсивное его извлечение.

Целью предлагаемого способа является образование между скважинами канала гидроразрыва, характеризующегося большими сечением и боковой поверхностью фильтрации, а также создание на основе этого канала площадных искусственных трещин в угольном пласте. Все это будет благоприятствовать эффективному притоку угольного метана к созданным коллекторам.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе дегазации угольных пластов, включающем бурение скважин, гидравлический разрыв через них угольного пласта путем импульсного нагнетания жидкости и воздуха, соединение скважин щелью гидроразрыва и, наконец, извлечение из скважин угольного метана, скважину-сток (из которой истекает жидкость или газ) в промываемой щели гидроразрыва периодически закрывают, вновь поднимают давление на нагнетаемой скважине (скважина-источник) до величины, близкой к давлению разрыва угольного пласта, вслед за чем скважину-сток вновь открывают в атмосферу, при этом цикл "открытие-закрытие" скважины-сток повторяют многократно. Затем через обе скважины импульсивно нагнетают в угольный пласт жидкость в режиме "включено-отключено". Кроме того, вместе с жидкостью в щель гидроразрыва закачивают легковоспламеняющиеся вещества (типа селитра) и, разжигая в скважинах угольный пласт, нагнетают через них в щели гидроразрыва воздух без стока продуктов горения угля.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что дегазацию угольного пласта осуществляют через канал, образованный после соединения, по крайней мере, двух скважин методом гидроразрыва, что приводит к отслаиванию кусков угля со стенок щели и разрушительному расширению ее до значительных размеров. Кроме того, через канал гидроразрыва осуществляют гидродинамическое воздействие на угольный пласт вокруг канала. Все это, таким образом, соответствует критерию "новизна" для заявляемого способа.

В известных способах /3, 4/ гидроразрыв угольного пласта и продувку созданной щели гидроразрыва воздухом осуществляют через одну скважину, что обуславливает только локальное воздействие на угольный пласт и ограниченное расширение естественных микротрещин без необратимых механических разрушений угольного пласта. Кроме того, разжигая в скважинах угольный пласт и нагнетая в них воздух без стока продуктов горения угля, достигается термическая обработка массива в прилегающей зоне угольного пласта с многократным увеличением его проницаемости. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа изобретательсхому уровню с критерием "существенных отличий", так как он позволяет создавать коллекторы большой дренирующей способности и существенно большего радиуса влияния по сравнению с известными способами гидродинамического воздействия на угольные пласты. Все это обуславливает большие притоки метана к ним, а следовательно, повышает эффективность дегазации угольного пласта.

На чертеже представлена принципиальная схема гидродинамического воздействия на газоносный угольный пласт на примере модуля из двух вертикальных скважин.

Предлагаемый способ гидродинамического воздействия реализуется следующим образом.

Две вертикальные скважины 1 и 2 бурятся на угольный пласт. Они соединяются между собой единой щелью гидроразрыва. Скважина 1 - нагнетательная (скважина-источник), скважина 2 - скважина-сток. Путем импульсной промывки щели, т. е. периодического закрытия и открытия скважины 2 при непрерывной подаче в скважину 1 воды или воздуха, за счет динамических ударов происходит разрушение угольных стенок щели гидроразрыва и вынос угольной мелочи из скважины 2. В первую очередь разрушается уголь вокруг забоя 3 нагнетательной скважины, а затем по длине щели 4. Многократное повторение стадии "открытие-закрытие" скважины 2 содействует расширению щели 4. Осуществляя реверс подачи воды или воздуха в скважину 2 (скважина-сток 1), механические разрушения угольного пласта осуществляют вокруг скважины 2 (зона 3) и прилегающей к ней части канала 4. В результате осуществления способа образуются свободные полости 3 и 4 с большими поверхностями фильтрации, а следовательно, активными последующими притоками к ним метана, содержащегося в угольном пласте.

Для расширения зоны гидродинамического воздействия на угольный пласт вторым этапом способа в обе скважины 1 и 2 начинают нагнетать воду, поднимая давление до величины гидроразрыва, превышающей вес столба горных пород и подземных вод. Учитывая вскрытие поверхности фильтрации в зоне 3 и 4, требуется большой темп закачки жидкости гидроразыва. Согласно практическим данным требуемый темп закачки составляет 1,5-2,0 м³/мин воды. Воду нагнетают в скважины 1 и 2 в импульсном режиме "включено-выключено", благодаря чему происходят необратимые разрушения в щели гидроразрыва и образуется зона 5 на расстоянии (по фактическим данным) до 150 м от канала между скважинами 1 и 2. Для инициирования активных разрушений в щели зоны 5 в нее закачивают различные химические и поверхностно-активные вещества, а также самовоспламеняющиеся (при определенных условиях) вещества, например мелкие фракции селитры.

В заявляемом способе предусматривается розжиг угольного пласта в забоях скважин 1 и 2 и последующее нагнетание в них воздуха на горение. Горячие продукты горения взаимодействуют со стенками угля в зонах 3, 4 и 5. Термическая их обработка приводит к необратимым последствиям (полукоксование, вспучивание и т. д.) в угольном массиве зоны 5. Газопроницаемость угольного пласта в зоне 5 повышается в 100-1000 раз.

Прекращение нагнетания воздуха на горение и затопление термообработанных участков угольного пласта вызывает активное трещинообразование на поверхности ранее нагретых стенок. Появляются новые искусственно созданные трещины в угольном массиве.

Для извлечения угольного метана в скважины 1 и 2 опускают погружные насосы и откачивают подземную воду. По мере создания депрессии вокруг зоны 5 в скважины начинает поступать метан. Созданные искусственные коллекторы содействуют интенсивному осушению угольного пласта и его дегазации.

Роль первоначального коллектора между вертикальными скважинами 1 и 2 может с успехом выполнить горизонтальный буровой канал. В этом случае второй этап заявляемого способа осуществляется в той же последовательности, изложенной выше.

Основные элементы заявляемой технологии осуществлялись в Кузбассе на Южно-Абинской ст. "Подземгаз".

Так, на опытном газогенераторе 4 осуществлялся гидроразрыв угольного пласта "Yll - Внутренний" на глубине 240 м. После соединения щелью гидроразрыва двух вертикальных скважин (гидроразрыв осуществлялся при давлении 90-100 атм и расход воды до 0,5 м³/мин) одна из них закрывалась, а в другую продолжали нагнетать воду. После возрастания давления до 70-90 атм (темп закачки 1,5-2,0 м³/мин) другая скважина открывалась и из нее начинала истекать вода с кусками угля. Режим "открытие - закрытие" повторялся многократно. Периодически вода заменялась воздухом. Образованный канал между вертикальными скважинами отличался большой пропускной способностью (4500 м³/мин воздуха при давлении 2,5-3,0 атм), расчетный эквивалентный диаметр составлял 0,3-0,35 м.

Использование созданного канала гидроразрыва для площадного воздействия на угольный пласт (зона 5 на чертеже) наиболее эффектно при импульсной подаче воды в режиме "включено - отключено". Чередование воды и воздуха содействует активным динамическим ударам в щели гидроразрыва и ее разрушению. Рекомендуемые расходы воды - до 1,5-2,0 м³/мин (давление определяется глубиной угольного пласта), расход воздуха - 500-1000 м³/мин при давлении 50-70 атм.

Стадию огневой (термической) проработки щели гидроразрыва и прилегающего к ней массива осуществляли при ПГУ в Кузбассе на расходе воздуха 1000-1500 м³/мин при давлении, как правило, до 70 атм.

Использование заявляемого способа термогидродинамического воздействия на угольный пласт для целей его дегазации пока не осуществлялось. Его преимущества по сравнению с существующими методами дегазации сводятся к следующему: 1. Ожидаемое повышение дебита извлекаемого угольного метана до 1000 м³/час с концентрацией 85-95%.

2. Повышение степени дегазации угольного пласта до 80% (по сравнению с 30-40% в существующих способах).

3. Существенное снижение удельных затрат на дегазацию угольных пластов.

Источники информации 1. А.с. 571109, С 10 В 57/20, Е 21 В 43/28, 1977.

2. А.с. 1550174, E 21 F 7/00, 1990.

3. А.с. 1511435, E 21 F 7/00, 1989.

4. Патент 2041347, Е 21 В 43/26, 1995.

5. Патент 2054557. E 21 F 7/00, 1996.0

Формула изобретения

1. Способ термогидродинамического воздействия на газоносный угольный пласт, включающий бурение скважин, гидравлический разрыв через них угольного пласта путем импульсного нагнетания жидкости и воздуха, соединение скважин щелью гидроразрыва, извлечение из скважин угольного метана, отличающийся тем, что скважину-сток в промываемой щели гидроразрыва периодически закрывают, вновь поднимают давление на нагнетательной скважине до величины, близкой к давлению разрыва угольного пласта, а первую из них открывают в атмосферу, при этом цикл "открытие-закрытие" скважины-стока повторяют многократно, а затем импульсно нагнетают в угольный пласт жидкость через обе скважины в режиме "включено-выключено".

2. Способ термогидродинамического воздействия на газоносный угольный пласт по п. 1, отличающийся тем, что вместе с жидкостью в щель гидроразрыва закачивают легковоспламеняющееся вещество типа селитры.

3. Способ термогидродинамического воздействия на газоносный угольный пласт по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в скважинах разжигают угольный пласт и нагнетают через них в щели гидроразрыва воздух без стока продуктов горения.

РИСУНКИ

Рисунок 1