Способ проведения гидравлической обработки угольного пласта
Союз Советсиик
Социалистически к
Республик (6l ) Дополнительное к авт. с вид-ву—.(22)Заявлено 24.03.80 (2l) 2897245/22-03 с присоединением заявки М (23) Приоритет
3Ьоударотеенный коинтет
СССР ао делан нзобретеннй и открытнй
Опубликовано 23.11.81.. 61оллетень М 43 (531УДК622.817, (088.8) Дата опубликования описания23 . 1 1 . 81 (72) Авторы изобретения
В.С.Забурдяев, Г.С.Забурдяев, Б.Е.Рудаков, И.В.Сергеев и А.Н.Яковлев
Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного
Знамени институт горного дела им. А.А.Скочинского
Министерства угольной промышленности СССР и АН СССР (7I) Заявитель (54) СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для обработки массива горных пород, главным образом угольных.пластов, в-импульсном режиме с целью борьбы с газом, внезапными выбросами и пылью.
Известен способ гидроразрыва массива, заключающийся в бурении скважины, герметизации ее устья путем цементации обсадной трубы и подаче в пласт воды в режиме напорного нагнетания, гидроразрыва массива и создания в нем сети трещин (1 ).
Недостатком данного способа явля15 ется трудоемкость и недостаточная надежность герметизации нагнетательных скважин.
Известен также способ проведения гидравлической обработки уголь20 ного пласта, включающий бурение в угольный пласт скважины, герметизацию ее устья, герметизацию скважины на глубину, необходимую для осуществления гидроразрыва угольного пласта, нагнетание в угольный пласт рабочей жидкости в напорном и импульсном режимах с помощью специальных средств подачи жидкости, осуществление гидроразрыва угольного пласта путем гидроимпульсного воздействия на него, удаление воды из скважины и трещин и каптаж газа из угольного пласта (2 j.
Недостатком известного способа является. его относительно невысокая . эффективность в виду того, что в способе не обеспечена надежная герметизация устья скважин гидроразрыва, обсадка устья скважин цементом трудоемка и требует много, средств на герметизацию скважин, также нет условий для обработки пласта импульсами высокой энергии.
Цель изобретения — повышение .эффективности дегазации угольного пласта путем повышения газоотдачи угольного пласта за счет управляемого измен
3509
3 88 нения его физико-механических свойств, а также уменьшения экономических затрат на герметизацию скважины.
Поставленная цель достигается тем, что гидравлическую обработку угольного пласта до осуществления процесса удаления воды из скважины и трещин производят в два этапа, управляя силой гидроимпульсного воздействия создавая на первом этапе сеть крупных трещин, на втором — разветвляя сеть крупных трещин системой мелких трещин, предварительно перед нагнетанием рабочей жидкости в угольный пласт в скважину вводят трубу-ствол специального средства подачи жидкости, герметизазию скважины на необходимую для осуществления гидроразрыва глубину производят путем нагнетания в образован— ное между стенками скважины и трубойстволом затрубное пространство вязкой жидкости, вязкость которой больше вязкости рабочей жидкости, и удержания ее на необходимой глубине посредством подпружиненного поршня, выполненного с уплотнительным элементом, и закрепленного на трубе-стволе с возможностью его продольного перемещения по трубе-стволу, при этом управление параметрами гидравлической обработки и силой гидроимпульсного воздействия производят, изменяя конструктивные параметры специальных средств подачи жидкости, параметры скважины и вязкость герметизирующей жидкости, причем в процессе гидрои ". óëüñíîãî воздействия давление герметизирующей жидкости на участке герметизации поддерживают равным давлению в скважине рабочей жидкости и газообразных продуктов взрыва, образующихся в процессе осуществления гидроимпульсного воздействия, кроме того, подпружиненный поршень, разделяющий герметизирующую и рабочую жидкость, смещают к устью скважины по мере осуществления эта пов гидравлической обработки.
На фиг. 1 представлена схема расположения скважины в пласте и обсад4 ке ее устья трубой и цементом, на фиг. 2 — схема герметизации скважины в период гидрообработки угольного пласта.
Способ осуществляют следующим образом.
Из горной выработки 1 (фиг. 1 и 2) по пласту 2 проводят скважину 3, которую обсаживают трубой 4 и цементным
4 раствором 5 на глубину Рц разгрузки массива выработки 1 (f =4-10 м). После затвердевания раствора в скваЦ жину вводят трубу-ствол 6 (фиг. 2) установки 7, предназначенной для гидрообработки.и разрыва пласта.
Перед гидравлической обработкой пласта в затрубное пространство сква-. жины 3 по шлангу 8 (фиг. 2 ) подают жидкость 9, вязкость которой превышает вязкость рабочей жидкости. Жидкостью 9 заполняют скважину на глубину герметизации, определяемую расчетом или опытнйм путем; Затем в скважину по шлангу 10, нагнетают рабочую жидкость 11. Вязкая и рабочая жидкости разделены подвижным поршнем
12 с уплотнительным элементом.
В качестве рабочей жидкости испольъо з уют Воду или Воду с pG зличньэ4и до бавками поверхностно-активных или химически-активных веществ (соответственно ПАВ и ХАВ).
Качество герметизации скважины гидроразрыва на глубине в условиях угольных пластов с различной проницаемостью обеспечивают подбором вязкостей рабочей жидкости и жидкости, предназначенной для герметизации.
При вязкости рабочей жидкости, близ-. кой к 1 сП, вязкость герметизирующей жидкости принимают на пластах с низкой проницаемостью (обычно 0,001—
0,01 мдарси) в 10-100 раз, а на пластах с высокой проницаемостью (0,01-0,1 мД) в 100-1000 раз превышающей вязкость рабочей жидкости. В первом случае используют, например, карбоксилметилцеллюлозу средней вязкости (КИЦ-85/350 или КМЦ-350) концентрации 0,5-3%, гипан — 0,7 концентрации 1-4%; полиакриламид (ПАА, ПААР) вязкостью 0,5-1%," полиакриламидные полимеры (метас, комета, вязкостью 20-100 сП) концентрации 1-2 и др. Во втором случае используют, например, карбоксилметилцеллюлозу высокой вязкости { КМ11,-85/500, KMIJ,—
85/600) концентрации до 7-10 ; гидролизованный полиакриламид IIAAP кон50 центрации 0,5-5Е крахмал концентрации 5-lOX и выше с добавлением щелочи концентрации 1-4Х полиакриламидный полимер "комета" концентрации 2-10Х и др.
В том случае, когда гидроразрыв пласта осуществляют через скважину, герметизируемый участок. которой, расположен в ненарушенных породах
5 883509 4 почвы (или кровли1 ля ге ме
1, д р тиэации дукты взрыва, вылетая из ствола 6, можно применять жидкость, вязкость в свою очередь, оказывают динамическоторой только в 3-10 раз превышает кое воздеиствие на столб маловязкой вязкость рабочей жидкости. В этом слу. рабочей жид чей жидкости, заполнившей скважичае используют, например, сульфит- 5 ну и трещин трещины в массиве. Энергия газо-. спиртовую барду (ССБ), углещелочной образных продуктов расходуется, в реагент (УЩР), полиакриламид (ПАА) . основном а б ном, на о раэование и раскрыконцентрацией менее 0,5 хромолигно- тие трещин в трещин в пласте, фильтрацию жидсульфаты (например, окзил) вязкостью кости в мас в массиве. астично энергия
Ч до 20%. т to расширяющихся продуктов взрывной реВ случае необходимости регулиро- акции гидрокса (ад ) окса адокса) расходуется вания вязкости жидкости.в гермети- также на перемещ еремещение подпружиненнозационной камере (на участке 3 ) из- - го поршня 12 по трубе 6 в направлеменяют концентрацию добавок вводят скважины. ерез скользясоли и реагенты, которь1е повышают 15 щий по трубе поршень поршень энергия импульили понижают вязкость герметизирую- са передается б тся и на елее вязкую жидющего раствора. Введение хлористого кость размещенную в б
Э енную в затру ном пронатрия концентрации 1-20 приводит к странстве на участке герм участке герметизации значительному снижению вязкости. До- скважины. бавки ССБ и У1ЦР понижают вязкость ра- 20 С повышением повышением давления жидкости в створа особенно ИЩ. Вве ение в
Э
ИЩ. Вв дение в скважине ускоряется фильтрация малораствор крахмала щелочи вызывает - вязкой рабочей жидкости 11 на обраклейстеризацию и резко повышает вяз- батываемом учас мом участке скважины и вязкой кость герметизирующей жидкости. жидкости 9 на участке герметизации.
Гидравлическую обработку пласта ?5 Однако ввиду большой вязкости герменачинают с напорного нагнетания а— р о нагнетания ра — тизирующеи жидкости, последняя, пебочей жидкости в пласт. Посл ст. После запол- рекрывая устья трещин в массиве и на кения жи костью т е д р щин и пор, когда, контакте массива с узлом цементной давление нагнетания стабилизируется .обвязки устья скважины ф
Ф ины, фильтруется и расхо абочей д р " жидкости становит- Зо в весьма незначительном количестве
Э ся небольшим или близким к нулю, осу- раскрытие трещин на стчастке герметиществляют импульсное нагнетание жид- зации скважины практически исклвча кости. Импульсы высокой энергии ге- ется, создается барьер для рабочей нерируют, например, установкой взры- жидкости и газообильных продуктов вогидроимпульсного воздействия. За
35 на пути их движения к устью скважины. счет реализации во взрывной камере Герметизация скважины достигается средства беспламенного взрывания вследствие плотного заполнения вязкой (патронов, гидрокс, адокс), в стол- жидкостью устьев трещин как в нарушенбе е рабочей жидкости генерируют удар- ной, так и ненарушенной (на участке ные волны, раскрывают имевшиеся в герметизации) зоне пласта. При этом пласте трещины или образовывают но- заполнение устьев трещин тем полнее, вые, и одновременно, вслед за удар- чем больше величина импульса передаЭ нои волнои, в образовавшуюся сеть ваемого на поршень 12. Таким образом трещин подают рабочую жидкость га- обеспечивается саморегулирующий резообразными продуктами химической ре- жим герметизации скважины во время
45 акции гидрокса (адокса). гидроимпульсного воздействия на горПри взрыве средства беспламенно- ный массив. го взрывания продукты химической ре- Фильтрация маловязкой рабочей жидакции заряда гидрокс (адокс), проры- кости на обрабатываемом участке сквавая диафрагму на выходе взрывной ка- жины протекает в высоком темпе. При
50 меры, устремляются по трубе 6 в сква- этом в зависимости от свойств масси жину. В момент среза диафрагмы в стол- ва, вида жидкости и параметров гидбе. жидкости, заполнившей скважину рообработки можно раскрывать малои трещины в прилегающем к ней масси- численную сеть трещин, увеличивая их ве, формируются ударные волны. Напря- зияние или создавать разветвленную
У жения, возникающие в породе вследст- (частую) сеть более мелких трещин. вие действия ударных волн, приводят На первом этапе обработки пласта созк раскрытию имевшихся в пласте трещин дают сеть крупных трещин, чтобы увеи созданию новых. Газообразные про- личить радиус воздействия, на втором
883509 8
3 î
30
43
$0
И этапе — разветвляют сеть трещин, а на третьем — осушают скважину и крупные трещины от жидкости, чтобы интенсифицировать процесс дегазации пласта. После дегазации, осуществляемой в течение нескольких месяцев, массив угля подвергают йовторной обработке с целью изменения физико-механических свойств угля (уменьшить пылеобразование при выемке угля и устранить выбросоопасность пласта).
Параметры гидрообработки (давление во взрывной камере и на выходе из ствола установки, объем газообразных продуктов, продолжительность импульса и период обработки) определяют экспериментально в зависимости от свойств обрабатываемого горного массива и цели гидроимпульсного воздействия (например, либо. обрайование сети трещин для эффективной дегазации, либо последующее за дегазацией изменение физико-механических свойств угля как дополнительная мера по устранению выбросоопасности и для снижения пылеобразования). Параметры обработки изменяют путем регулирования объема взрывной камеры, веса заряда, давления газообразных продуктов в момент выброса их из камеры и ствола, скорости истечения газов из ствола, соотношения вязкостей. рабочей и герметизирующей жидкостей, хода разделяющего жидкости поршня, а также изменения (точнее выбора ) длины и диаметра скважины.
Реализация способа может быть осуществлена, например, с помощью известной взрывогидроимпульсной установки ПермНИУИ-1 с камерой регулируемого объема (3000- 5000 см") зарядом
7 от 0,27 до 1,9 кг и давлением газообразных продуктов в камере 5005000 кгс/см . Объем газов в этом случае составляет 2,0-13,5 м . Давление
3 газа на выходе ствола регулируют геометрией внутренней полости ствола за счет профилированных труб (составных частей ствола), изменяющих пара- метры воздействия взрывных газов на столб жидкости в скважине (для поддержания более высокого давления газов на выходе ствола применяют комфузорную форму, а для более высокой скорости истечения газов и меньшего давления — диффузорную).
Чем больше заряд, меньше объем взрывной камеры и устойчивей диафрагма {диск), тем больше давление газообразных продуктов, больше величина импульса (при условии постоянства фазы сжатия), жестче воздействие на пласт, больше создается трещин.
Более эффективную для импульсного воздействия на угольный массив удлиненную волну формируют конструктивными параметрами установки (форма конуса камеры и ствола, толщина, форма и давление среза диафрагмы," пружинящее торможение хода поршня).и выбором соотношения вязкостей жидкостей для герметизации и рабочей жидкости, Причем использование упомянутых выше жидкостей в указанных пределах проницаемости обрабатываемого массива ход поршня составит 0,5-4 см на каждый метр заполненного вязкой жидкостью участка скважины (за весь период обработки, включая нагнетание жидкости в пласт в напорном и импульсном режимах). Вследствие большого гидравлического сопротивления трещин по мере проникновения в них вязкой (герметизирующей) жидкости жесткость системы поршень — жидкость — массив по мере воздействия импульса давления возрастает.43а счет преодоления гидравлического сопротивления трещин вязкой жидкостью при ее фильтрации в массив под давлением импульса происходит амортизация ударной нагрузки и снижение ее амплитуды.
Варьируя вязкостью герметизирующей жидкости можно в пределах 100307 изменять жесткость амортизирующей системы и тем самым перераспределять энергию взрыва средства беспламенного взрывания, затрачиваемую на фильтрацию и на образование новой системы трещин. Чем жестче амортизирующая система поршень — жидкость массив, тем большая доля энергии взрыва затрачивается на создание сети искусственных трещин. И наоборот, чем податчивей амортизирующая система, тем большей рабочей жидкости проникает в пласт в режиме фильтрации, увлажняя его. В первом случае ход поршня за время обработки составит 0 5-1 см, во втором — 3-4 см на каждый метр участка герметизации, длина которого 10-20 м (реже 2025 м1.
После каждого цикла воздействия, когда давление газообразных продуктов снижается до давления напорного
3509
<о
l5
Формула изобретения
3О
3S
4%
Ы
SS (j 88 (статического) нагнетания рабочей жидкости в пласт, осуществляют замену диафрагмы во взрывной камере, нагнетают в скважину рабочую жидкость до стабилизации давления нагнетания и производят очередное взрывание заряда. При необходимости, перед началом цикла воздействия, в затрубное пространство скважины добавляют вязкую жидкость для ° герметизации.
Объем взрывной камеры, количество патронов гидрокс (адокс) и давление газообразных продуктов определяют исходя из горногеологических условий, свойств пласта, цели воздействия. Регулирование объема камеры и давления газов осуществляют количеством патронов гидрокс и металлических (или пластмассовых) вкладышей..
После первого и второго этапов обработки пласта, завершаемых по истечении запланированных циклов воздействия (закачка в пласт проектного количества рабочей жидкости, созда-. ние сообщающейся межскважинной сети трещин), вязкую жидкость герметизации сливают, убирают установку и скважин подключают к дегазационной системе. Каптаж газа ведут в течение времени, предусмотренном проектом на дегазацию выемочного участка. Затем в такой же последовательности циклов воздействия подают в пласт рабочую жидкость, предназначенную для изменения физико-механических свойств угля. Параметры воздействия определяют экспериментально или расчетным путем. Обработку пласта на третьем -этапе можно осуществлять также с помощью обычных средств напорного нагнетания жидкости в пласт.
При необходимости, если предварительно создана сообщающаяся сеть трещин между скважинами, закачку жидкости на третьем этапе производят одновременно через группу скважин.
В качестве рабочей жидкости для обработки пласта на третьем этапа принимают, например, водомаслянные эмуль сии, водные растворы жидкого стекла, хлористого натрия, хлористого кальция, водные растворы поверхностнои химически-активных веществ и др.
Объем жидкости определяют из расчета достижения 5-67 влажности угля в массиве.
Предлагаемый способ гидравлической обработки угольного пласта позволяет сократить затраты времени на герметизацию скважин гидроразрыва (операции по герметизации и гидрораэрыву совмещены во времени), что дает возможность экономить от 3 до 5 суток на каждой скважине гидроразрыва.
Затраты средств на герметизацию сокращаются в 3-7 раз, йоскольку затраты -идут только на обсадку устья скважины (длина 4-10 м), которая к тому же используется для последующего (после гидроразрыва) подсоединения скважины к дегазационной сети ( нет необходимости в обсадке скважины трубно-цементным мостом на 3040 м, как это делается при известных способах гидроразрыва угольных пластов) . Улучшение качества герметизации позволяет повысить эффективность гидроразрыва не менее, чем на
30-50Х.
Способ проведения гидравлической обработки угольного пласта, включаюющий бурение в угольный пласт скважины, герметизацию, ее устья, герметизацию скважины на глубину, необходимую для осуществления гидроразрыва угольного пласта, нагнетание в угольный пласт рабочей жидкости в напорном и импульсном режимах с помощью специальных средств подачи жидкости, осуществление гидроразрыва угольного пласта путем гидроимпульсного.воздействия на него, удаление воды из скважины и трещин и каптаж газа из угольного пласта, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения эффективности .дегазации угольного пласта путем повышения газоотдачи угольного пласта за счет управляемого изменения его физико-механических свойств, а также уменьшения экономических затрат на герметизацию скважины, гидравлическую обработку уголь- ного пласта до осуществления процесса удаления воды из скважины и трещин производят в два этапа, управляя силой гидроимпульсного воздействия, создавая на первом этапе сеть крупгых трещин, на втором — разветвляя сеть крупных трещин системой мелких трещин, предварительно перед нагнетанием рабочей жидкости в угольный пласт в скважину вводят трубу-ствол специального средства подачи жидкоl2
883509
ВНИИПИ Заказ 10161/54 Тираж 466 Подписное
Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 сти, герметизацию скважины на необходимую для осуществления гидроразрыва глубину производят путем нагнетания и образованное между стенками скважин и трубой-стволом затрубное .пространство вязкой жидкости, вязкость которой больше вязкости рабочей жидкости, и удержания ее на необходимой глубине посредством подпружиненного поршня, выполненного с уплотнительным элементом и закрепленного на трубе-стволе с воэможностью его продольного перемещения по трубе-стволу, при этом управление параметрами гидравлической обработки и силой гидроимпульсного воздействия производят изменяя конструктивные параметры специальных средств подачи жидкости, параметры скважины и вязкость герметизирую ей жидкости, причем в.процессе гидроимпульсного воздействия давление герметизирующей жидкости на участке герметизации поддерживают равным давлению в скважине рабочей жидкости и газообразных продуктов взрыва, образующихся в процессе осуществления гидроимпульс% ного воздействия, кроме того, подпружиненный поршень, разделяющий герметизирующую и рабочую жидкости, смещают к устью скважины по мере осуществления этапов гидравлической об О работки„
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Гершун О.С. и др. Дегазация
15 разрабатываемых пластов с помощью гидрорасчленения из подземных выработок, M., ЦНИЭИуголь, 1977, с. 9-21.
2. Бей M.M. и др. Импульсный пневматический агрегат для нагнетания
20 жидкости в массив. — "Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело", 1971, Р 2, с. 5-6 (прототип).
