Способ гидравлической обработки угольного пласта

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для дегазации угольных пластов с целью добычи метана из угольных пластов для его использования в промышленности и повышения безопасности горных работ в шахтах. Способ гидравлической обработки угольного пласта включает бурение скважины с поверхности с последующим ее обустройством. Обработку пласта начинают в фильтрационном режиме, затем при сбросе устьевого давления жидкости до атмосферного с последующим истечением жидкости из скважины создают гидравлические удары и одновременно накапливают гидравлическую энергию потока, создаваемого нагнетательным насосом. Для проницаемых пластов время эффективного гидроимпульсного воздействия на пласт достаточно для накопления необходимой гидравлической энергии потока рабочей жидкости. После завершения гидроимпульсной обработки пласта рабочую жидкость подают из гидроаккумулятора в пласт под высоким давлением, что обеспечивает гидравлическую дезинтеграцию пласта по направлениям стартовых трещин, сформированных при гидроударах. При разряжении гидроаккумулятора на стадии падения давления жидкости фиксируют давление, величина которого не менее величины давления гидроразрыва пласта. После этого подачу рабочей жидкости в скважину прекращают и осуществляют воздействие рабочей жидкости на пласт в аналогичном гидроимпульсном режиме. Эти процессы повторяют до образования в пластах проектных площадей гидрообработки вокруг скважины. При обработке низкопроницаемых пластов для эффективного раскрытия трещин требуются более высокие мощности рабочего потока, а следовательно, и большее время для заряжания гидроаккумулятора. Величина этой мощности задается исходя из физико-механических свойств пласта. В связи с этим после эффективного воздействия гидроударов на пласт его выдерживают под гидростатическим давлением в течение определенного времени. Далее режимы нагнетания рабочей жидкости и истечения ее из скважины повторяют аналогично. Данный способ позволяет повысить дебит метана из скважины в 1,5-2 раза, сократить объем потребляемой воды почти в 3 раза и снизить удельные энергозатраты на гидрообработку единицы объема пласта более чем в 3 раза. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для дегазации угольных пластов с целью добычи метана из угольных пластов для его использования в промышленности и повышения безопасности работ в шахтах. Изобретение также может быть использовано для вскрытия продуктивного пласта при добыче газа.

Известен способ обработки угольного пласта, включающий бурение скважины с поверхности, обсадку ее трубами и герметизацию затрубного пространства, нагнетание рабочей жидкости через скважину в пласт в фильтрационном режиме, сброс устьевого давления жидкости до атмосферного [1]. После гидравлической обработки угольного пласта осуществляют осушение пласта и последующий съем метана из скважины для его промышленного использования. После дегазации пласта производят безопасную выемку угля подземным способом.

Недостатком этого способа являются низкие дебиты метана из продуктивной скважины из-за малой площади распространения рабочей жидкости по угольному пласту и, следовательно, низкой дезинтеграции пласта вблизи скважины.

Известен способ гидравлической обработки угольного пласта, включающий бурение скважины с поверхности, обсадку ее трубами и герметизацию затрубного пространства, подачу рабочей жидкости через скважину в пласт в фильтрационном режиме посредством нагнетательного насоса, гидроимпульсное воздействие жидкости на пласт, сброс устьевого давления жидкости до атмосферного с последующим ее истечением из скважины [2]. Этот способ взят нами в качестве прототипа.

Недостатками данного способа являются: неравномерная дезинтеграция угольного пласта микро- и макротрещинами в различных направлениях вследствие анизотропии прочностных параметров угля и различных величин горного давления по падению и простиранию пласта, что снижает степень дегазации пласта и дебиты скважин; большие объемы потребления рабочей жидкости и высокие удельные энергетические затраты на гидрообработку.

Задачей изобретения является повышение степени дегазации пласта и дебита скважин за счет увеличения степени дезинтеграции угля микро- и макротрещинами в различных направлениях при уменьшении объема потребляемой жидкости и энергетических затрат.

Это достигается тем, что в способе гидравлической обработки угольного пласта, включающем бурение скважины с поверхности, обсадку ее трубами и герметизацию затрубного пространства, подачу рабочей жидкости через скважину в пласт в фильтрационном режиме посредством нагнетательного насоса, гидроимпульсное воздействие жидкости на пласт, сброс устьевого давления жидкости до атмосферного с последующим ее истечением из скважины, одновременно с гидроимпульсным воздействием жидкости на пласт при ее истечении из скважины накапливают гидравлическую энергию потока, создаваемого нагнетательным насосом, в гидроаккумуляторе, затем производят подачу аккумулированной рабочей жидкости в скважину и фиксируют на устье скважины давление этой жидкости, величина которого в процессе его падения не менее величины давления гидроразрыва пласта, после чего режимы истечения рабочей жидкости из скважины и нагнетания ее в пласт повторяют.

Кроме того, что при гидрообработке низкопроницаемых угольных пластов после гидроимпульсного воздействия жидкости на пласт его выдерживают под гидростатическим давлением в течение времени, необходимого для накопления заданной гидравлической энергии в гидроаккумуляторе.

На фиг.1 показана технологическая схема, реализующая предлагаемый способ.

На фиг.2 показан режим гидрообработки угольного пласта.

На фиг.3 показан режим гидрообработки низкопроницаемого угольного пласта.

Способ гидравлической обработки угольного пласта заключается в следующем.

Угольный пласт 1 вскрывают с поверхности скважиной 2, обсаживают ее трубами 3 и осуществляют герметизацию затрубного пространства, например, цементным раствором. Гидрообработку угольного пласта начинают путем подачи в него через скважину 2 рабочей жидкости, например воды, из резервуара 4 посредством нагнетательного насоса 5 и гидроаккумулятора 6 в фильтрационном режиме (см. фиг.1). Этот режим протекает в течение времени t₁ (см. фиг.2) и обеспечивает заполнение свободного пространства пор и трещин в пласте рабочей жидкостью. Процесс гидрообработки пласта в фильтрационном режиме ведут при величине давления жидкости, равной не менее 0,7 от величины давления, при котором происходит гидроразрыв пласта P_p. Величину давления фиксируют устьевым манометром 7. После завершения данной стадии гидравлической обработки пласта прекращают подачу рабочей жидкости в скважину, перекрывая поток жидкости заслонкой 8, и открывают заслонку 9, осуществляя сброс устьевого давления до атмосферного. При истечении жидкости из скважины в течение времени t₂ (см. фиг.2) осуществляют гидроимпульсное воздействие жидкости на пласт с помощью гидроударного устройства 10, например, выполненного в виде циклического прерывателя истекающего потока, и одновременно накапливают гидравлическую энергию потока, создаваемого нагнетательным насосом 5, в гидроаккумуляторе 6. При гидроимпульсном воздействии жидкости на пласт происходит многократная остановка истекающего потока и сброс жидкости в отстойник 11. Сжатие потока, происходящее при его резкой остановке, приводит к гидравлическим ударам, распространяющимся по скважине 2 в угольный пласт 1. Это приводит к росту множества стартовых микротрещин в прискважинной зоне обводненности пласта. Процесс гидроударной обработки пласта ведут в течение времени t₂, при котором амплитуда гидравлических ударов превышает максимальную величину давления жидкости на пласт в фильтрационном режиме. Время t₂, затраченное на гидрообработку угольного пласта при истечении жидкости из скважины, достаточно для накопления необходимой энергии в гидроаккумуляторе при обработке проницаемых пластов. Гидравлическая энергия сжатой жидкости определяется по максимальному давлению в гидроаккумуляторе, величина которого фиксируется с помощью манометра 12. После этого заслонку 9 закрывают, а заслонку 8 открывают, в результате чего рабочая жидкость из гидроаккумулятора 6 в течение времени t₃ под высоким давлением через скважину 2 внедряется в угольный пласт, производя его гидравлическую дезинтеграцию по направлениям стартовых трещин, сформированных при гидроударах. Высокие значения давления рабочей жидкости позволяют реализовать одновременный рост микро- и макротрещин в разных направлениях на участках с различной трещиностойкостью угля и сжатых высоким горным давлением породного массива, что в конечном итоге обеспечивает равномерность гидрообработки вокруг скважины и на большие расстояния.

По мере разряжения гидроаккумулятора 6 в течение времени t₃ давление рабочей жидкости на пласт вначале увеличивается, достигает максимального значения, превышающего давление гидроразрыва пласта Р_р, а затем уменьшается. На стадии падения давления этой рабочей жидкости фиксируют на устье скважины посредством манометра 7 давление, величина которого не менее величины давления гидроразрыва пласта. После этого подачу рабочей жидкости в скважину прекращают и осуществляют сброс жидкости из скважины в гидроимпульсном режиме в течение времени t₃₁. Далее режимы нагнетания рабочей жидкости в пласт и истечения ее из скважины повторяют на каждом n-м этапе (см. фиг.2) до образования в пласте трещин заданной протяженности.

При обработке низкопроницаемых пластов для эффективного раскрытия трещин требуются более высокие энергетические мощности рабочего потока и, соответственно, более длительное время нагнетания рабочей жидкости в гидроаккумулятор 6. При достижении амплитуды гидроударов не менее максимального давления на стадии фильтрации пласт выдерживают под сформированным гидростатическим давлением рабочей жидкости в течение времени t₂₁. На этой стадии гидроаккумулятор 6 заряжают в течение времени (t₂+t₂₁). Чем ниже проницаемость пласта, тем больше времени необходимо для аккумуляции гидравлической энергии рабочей жидкости. Это позволяет осуществлять нагнетание в пласт рабочего потока под большим давлением в течение времени t₃, что обеспечивает более интенсивный рост трещин в низкопроницаемых пластах. При падении давления жидкости в процессе разряжения гидроаккумулятора 6 фиксируют с помощью манометра 7 давление жидкости, величина которого не менее величины давления гидроразрыва пласта. После этого подачу рабочей жидкости в скважину прекращают и осуществляют сброс жидкости из скважины в гидроимпульсном режиме в течение времени t₃₁. 3атем режим гироимпульсного истечения прекращают и осуществляют выдержку пласта под гидростатическим давлением в течение времени t₃₂, при этом суммарное время аккумуляции гидравлической энергии составляет (t₃₁+t₃₂). Далее, на каждом n-м этапе (см. фиг.3) режимы нагнетания рабочей жидкости в скважину, гидроимпульсного истечения ее из скважины и выдержки под гидростатическим давлением жидкости повторяют.

В процессе гидрообработки угольного пласта под большим давлением потребляют меньший объем рабочей жидкости по сравнению с известными технологиями за счет сокращения потерь рабочей жидкости в кровлю и почву при более высоких скоростях движения жидкости в радиальном направлении. Потребляемая гидравлическая энергия используется с более высоким КПД за счет реализации высоких давлений рабочего потока, обеспечивающих интенсивное трещинообразование в пласте.

Пример реализации №1. Моделирование разработанной технологии осуществлено на ЭВМ в соответствии с программой расчета, разработанной в МГГУ. Рассмотрено месторождение Кузнецкого угольного бассейна; шахта «Капитальная». Метаноносный угольный пласт залегает на глубине 250 м. Давление гидроразрыва пласта составляет P_p=8,5 МПа. Тип угля - антрацит, проницаемость более 1 мД. В соответствии с изобретением для гидравлической обработки пласта применяют нагнетательный насос типа СИН-31, обеспечивающий расход жидкости 11,3 л/с и давление до 100 МПа. Насос последовательно подключен к гидроаккумулятору, представляющему собой толстостенный сосуд высокого давления емкостью 20 м³, рассчитанным на рабочее давление до 200 МПа. В качестве гидроударного устройства используют конструкцию, созданную в МГГУ по патенту №2188322. Измерение потока рабочей жидкости и давление в гидроаккумуляторе и на устье скважины осуществляют посредством манометров типа РМ-5322. Из гидроаккумулятора рабочую жидкость нагнетают через скважину в угольный пласт.

Процесс ведут в следующей последовательности. Вначале гидрообработку пласта ведут в фильтрационном режиме, закачивая в пласт рабочую жидкость, воду, с расходом 17,7 л/с. Скважина сначала заполняется водой, формируя гидростатическое давление на пласт величиной 2,5 МПа. Затем давление нагнетания воды насосом и, соответственно, ее давление в пласте постепенно повышается по мере заполнения природных пор и трещин в угольном пласте. Через t₁=10 мин подачи воды давление на устье скважины повышается до 3 МПа, а пластовое давление с учетом гидростатического давления воды составляет 5,5 МПа, которое по величине меньше давления гидроразрыва пласта. Подачу воды в скважину прекращают и осуществляют сброс воды из скважины через гидроударное устройство в гидроимпульсном режиме в течение времени t₂=9 с. Амплитуда гидравлических импульсов давления, фиксируемая устьевым манометром типа РМ-5322, постепенно уменьшается от максимальной величины 8 МПа (пластовое давление 10,5 МПа) в первом гидроимпульсе до завершающего значения 5,5 МПа, что обеспечивает образование стартовых трещин в обводненной зоне пласта. В течение этого же времени, одновременно с гидроимпульсным воздействием, осуществляют с помощью насоса нагнетание воды объемом 160 л в гидроаккумулятор, аккумулируя при этом гидравлическую энергию величиной 1360 кДж. После достижения заданной величины энергии аккумуляции, заслонку 8 открывают, а заслонку 9 закрывают. Вода под высоким давлением в течение t₃=2 с нагнетается в скважину, достигая максимального значения на устьевом манометре 9 МПа (соответственно, пластовое давление порядка 11,5 МПа), превышающем давление гидроразрыва пласта и затем падает до давления 6,3 МПа (пластовое - 8,8 МПа). В течение этого времени вода под высоким давлением внедряется в пласт и осуществляет интенсивное трещинообразование по пути движения, раскрывая сеть трещин. Далее в течение времени t₃₁=9 с осуществляют гидроимпульсное воздействие на пласт и при достижении амплитуды импульсов на устьевом манометре 6,1 МПа (пластовое давление 8,6 МПа) циклы нагнетания воды под высоким давлением и гидроимпульсного воздействия на стадии истечения воды повторяют. После описанного режима гидрообработки осуществляют откачку воды из скважины и извлечение метана.

Длительность процесса гидрообработки составила 200 циклов нагнетания потока и гидроимпульсного воздействия в течение времени 45 мин, что обеспечило формирование зоны гидрообработки пласта эквивалентным радиусом 60 м. Такие радиусы дезинтеграции пласта обеспечивают увеличение дебита скважин в 1,5-2 раза выше по сравнению с базовой технологией.

Пример реализации №2. Моделирование процесса гидрообработки угольного пласта также осуществлено на ЭВМ. На этой же шахте имеется метаноносный никзопроницаемый угольный пласт проницаемостью менее 1 мД, на глубине 450 м. Давление гидроразрыва пласта составляет Р_р=10,5 МПа. В начале гидрообработки пласта в фильтрационном режиме рабочую жидкость подают в течение времени t₁=8 мин, достигая давления на устьевом манометре 5,0 МПа (пластовое давление с учетом гидростатического давления столба воды составляет 9,5 МПа), после чего осуществили сброс устьевого давления жидкости до атмосферного с последующим гидроимпульсным воздействием на пласт при истечении жидкости в течение времени t₂=5 с. При амплитуде давления гидроудара на устьевом манометре 5,5 МПа (пластовое 10,0 МПа) поток перекрыли и пласт выдерживали в статическом режиме под сформированным давлением в течение времени t₂₁=6 с. Суммарного времени (t₂+t₂₁)=11 с достаточно для аккумуляции гидравличесокой энергии потока 1662 кДж (максимальное давление в гидроаккумуляторе 23,8 МПа). Этот поток направляют в скважину под большим давлением в течение t₃=2 с, осуществляя интенсивное трещинообразование данного низкопроницаемого угольного пласта. При разряжении гидроаккумулятора до давления на устьевом манометре 8 МПа (пластовое давление 12,5 МПа), осуществляют гидроимпульсную обработку пласта в режиме истечения потока в течение времени t₃₁=6 с, затем выдерживают пласт под сформированным гидростатическим давлением в течение t₃₂=5 с и далее режимы нагнетания воды под высоким давлением, гидроимпульсного воздействия на стадии истечения воды и гидростатической выдержки пласта под сформированным давлением повторяют.

Длительность процесса гидрообработки составила 400 циклов нагнетания потока и гидроимпульсного воздействия, в течение времени 95 мин, что обеспечило формирование зоны гидрообработки пласта эквивалентным радиусом 65 м. Такие радиусы гидрообработки и дезинтеграции пласта при указанном гидродинамическом режиме воздействия обеспечивают увеличение дебита скважин в 1,5-2 раза выше по сравнению с базовой технологией.

Реализованный режим нагнетания воды под высоким давлением обеспечивает сокращения суммарного объема потребляемой воды почти в 3 раза и снижение удельных энергозатрат на гидрообработку единицы объема пласта более чем в 3 раза.

Источники информации:

1. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. - М.: Изд-во МГГУ, 1996, с.56-60.

2. Патент РФ №2054121 по классу Е21F 7/00 от 29.04.92, Бюллетень №4 от 10.02.96 (прототип).

1. Способ гидравлической обработки угольного пласта, включающий бурение скважины с поверхности, обсадку ее трубами и герметизацию затрубного пространства, подачу рабочей жидкости через скважину в пласт в фильтрационном режиме посредством нагнетательного насоса, гидроимпульсное воздействие жидкости на пласт, сброс устьевого давления жидкости до атмосферного с последующим ее истечением из скважины, отличающийся тем, что одновременно с гидроимпульсным воздействием жидкости на пласт при ее истечении из скважины накапливают гидравлическую энергию потока, создаваемого нагнетательным насосом, в гидроаккумуляторе, затем производят подачу аккумулированной рабочей жидкости в скважину и фиксируют на устье скважины давление этой жидкости, величина которого в процессе его падения не менее величины давления гидроразрыва пласта, после чего режимы истечения рабочей жидкости из скважины и нагнетания ее в пласт повторяют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при гидрообработке низкопроницаемых угольных пластов после гидроимпульсного воздействия жидкости на пласт его выдерживают под гидростатическим давлением в течение времени, необходимом для накопления заданной гидравлической энергии в гидроаккумуляторе.