СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И ПОРОДНЫХ МАССИВОВ Российский патент 1994 года по МПК E21F5/00 E21F7/00 

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано для изменения состояния и свойств углей и пород, включая и их дегазацию с использованием упругого миграционного геоэффекта и эффектов кавитации при высоких РТ-параметрах.

Известен способ дегазации угольных пластов, включающий бурение скважин, определение векторов максимального и минимального главных напряжений в пласте, установку в скважинах источников колебаний, оси источников располагают в плоскости, параллельной главному минимальному напряжению, возбуждают колебания в пласте с амплитудой не менее 0,5 от разрушающих напряжений и, поддерживая ее на достигнутом уровне, нагнетают в пласт технологический раствор, причем вибровоздействия осуществляют до тех пор, пока уровень концентрации метана не снизится до допустимого или нормативного уровня.

Известный способ не учитывает структурных особенностей пласта и пород, а также свойств разупрочняющих растворов, не использует для повышения трещиноватости и проницаемости пласта импульсный гидроразрыв.

Известен также способ дегазации угольных пластов и породных массивов, включающий бурение скважин в массив, обустройство их устьевой арматурой, соединенной с питающим трубопроводом и насосом, нагнетание в скважину рабочей жидкости, возбуждение в ней упругих колебаний, определение основной частоты вибровоздействия на горный массив, бурение на удаление от рабочей скважины 3-5 длин волн основной частоты дополнительной скважины, размещение в ней невзрывных источников вибровоздействия, определение векторов максимальных главных напряжений, ориентирование осей указанных источников в направлении векторов главных напряжений и поэтапное воздействие на горный массив с начальным предварительным приведением горного массива в колебательное состояние в диапазоне от 60 до 1500 Гц, последующее воздействие с частотой, равной частоте колебаний горного массива, причем источники вибровоздействия размещают с шагом, равным одной восьмой длины волны основной частоты по глубине скважины в месте проведения гидроразрыва, измеряют напряженно-деформированное состояние пород, определяют амплитуду давления в знакопеременной упругой волне из соотношения А = =0,015(Р)^1/3/P, а вибровоздействия осуществляют с амплитудой давления, равной 0,5 от величины разрушающих напряжений, при этом в породы нагнетают технологический раствор с добавкой 3-5% ПАВ и производят вибровоздействие в течение времени, при котором деформации растяжения сменят деформации сжатия, после чего переходят на частоту вибровоздействия, равную частоте нагнетания рабочей жидкости в скважину, и производят указанное воздействие до достижения положительного результата.

Известный способ не учитывает разупрочняющего эффекта при нагнетании в пласт гидроокиси натрия или гидроокиси натрия с метанолом, нагретых до 80^оС в совокупности с вибровоздействиями, а также утилизацию истекающих из пласта газов в процессе дегазации пласта с предотвращением их утечки в пространство выработок.

Цель изобретения - повышение эффективности способа за счет снижения энергоемкости и увеличения гидро- и аэродинамических связей угля и пород.

Цель достигается тем, что согласно способу перед проведением гидроразрыва нагнетают в пласт гидроокись натрия или гидроокись натрия с метанолом, нагретые до 80^оС.

С целью повышения эффективности импульсного массированного гидроразрыва за счет трещинообразования и увеличения глубины проникновения жидкости в пласт в нее добавляют 50-75% газа под давлением, причем при низких скоростях инжекции в качестве газа используют азот, а при высоких - углекислый газ.

При низкой проницаемости пласта или породного массива перед проведением импульсного гидроразрыва осуществляют их кислотную обработку. В качестве расклинивающих агентов используют частицы спеченного боксита. Во время дегазации угольного пласта или породного массива производят измерение напряженно-деформированного состояния, температуры и концентрации газовых компонент и определения их химического состава до, во время и после вибровоздействия.

Вибровоздействия осуществляют встречными упругими колебаниями из скважин, окаймляющих пласт, при этом частоту вибровоздействия настраивают в резонанс с собственными колебаниями пласта или массива. Вибровоздействия осуществляют попеременно, сначала с одной стороны пласта, а затем - с другой, а время обработки с каждой стороны ограничивают временем миграции флюидов по пласту, определяя его из соотношения
T = L/V, где L - длина пласта по простиранию;
V - скорость миграции флюидов в пласте.

С целью предотвращения загазованности горных выработок формируют сеть вакуумных скважин для отсоса газов, обустраивают их устьевой арматурой, герметизируют их и осуществляют вакуумную откачку газов до, во время и после вибровоздействия, причем производят утилизацию истекающих из пласта и пород газов, не допуская их утечки в пространство горных выработок.

На фиг.1 и 2 приведена схема реализации способа, где 1 - горный массив, 2 - горная выработка, 3 - угольный пласт, 4 - скважины для размещения виброисточников, 5 - виброисточники, 6 - упруго-вязкое тело, 7 - компрессор высокого давления ЭУ-5 или ЭУ-7, 8 - электронный пульт управления для синхронизации работы группы виброисточников, 9 - информационно-вычислительный комплекс (ИВК), 10 - гидроимпульсатор для нагнетания растворов, 11 - вакуумный насос для отсоса газовых компонент из пласта или горного массива.

Способ осуществляют следующим образом.

В прилегающей к основной выработке бурят серию скважин 4 и размещают в них виброисточники 5, ориентируют их в плоскости, проходящей через линию действия минимального главного напряжения, причем определяют поле напряжений и главные векторы напряжений в пласте разместив в контрольной скважине датчики давления горных пород.

Максимальный диаметр скважин 4 и их глубину для размещения виброисточников 5 выбирают исходя из оптимальных условий возбуждения сейсмических колебаний на частотах 60-1500 Гц, при которых имеет место максимальная закачка упругой энергии в тело пласта 3 и составляющая от 3 до 16% всей запасенной в источнике 5 энергии, поступающей от компрессора 7. Глубина размещения виброисточников 5 в скважине 4 оптимальна величине давления в 7-12 атм, что и обеспечивается посредством упруго-вязкого тела 6. В качестве упруго-вязкого тела 6 используют воду, мокрый штыб и другие минеральные добавки вперемешку с водой. При этом акустическое сопротивление материала упруго-вязкого тела подбирают примерно равным величине сопротивления пласта или пород, обеспечивая наиболее полную передачу энергии акустического импульса в исследуемую среду.

Скважины 4 бурят на удалении друг от друга 3-5 длин волн основной частоты, излучаемой в массив. Это обусловлено тем, что на таких удалениях поле воздействия упругих напряжений, генерируемое источником, равномерное. Время синхронной работы группы источников 5 для приведения пласта 3 в неудароопасное состояние (колебательное состояние) регулируют посредством электронного пульта 8 управления и ИВК 9, причем оно зависит от обводненности пласта и геомеханических условий его залегания - веса пород.

Посредством ИВК 9 осуществляют синхронизацию работы группы источников 5 сопоставлением эталонных импульсов давления с импульсами, поученными в процессе проведения испытаний, и по заранее введенной в ИВК программе проводят корректировку в выбранном диапазоне частот. С использованием Фурье-устройств определяют спектры полученных сигналов, сопоставляют с эталонными спектрами и осуществляют корректировку синхронизации работы группы виброисточников для достижения положительного эффекта - импульсного массированного гидроразрыва пласта (ИМГ), выбирая при этом оптимальный режим нагружения, при котором не индуцируются остаточные напряжения, и осуществляют контроль скорости нагружения пласта и пород в массиве во времени.

Определяют скорость изменения поперечного сечения магистральной трещины и ее ширину в процессе ИМГ для пористой среды, степень ее раскрытия, коэффициент интенсивности напряжений в месте гидроразрыва, энергию, затрачиваемую на гидроразрыв, изменение вязкости рабочей жидкости, перенос тепла и распределение температуры по поверхности трещины. При синхронной работе группы виброисточников их амплитуду медленно поднимают от минимального до максимального уровня, определяемого уровнем достижения напряжений в пласте, равных 0,5 от разрушающих с таким условием, чтобы не вызвать динамических появлений горного давления - внезапных выбросов угля породы и газа.

Колебания в массиве вызывают относительную подвижку структурных элементов пласта, перераспределение поля упругих напряжений на пути распространения мощных вибрационных колебаний и частичную дегазацию пласта и пород за счет замещения газовой фазы на жидкие растворы. Эти явления имеют место в пласте как при работе группы источников, так и при работе одиночного источника.

Работу группы виброисточников до, во время и после вибровоздействия контролируют геомеханическими, геофизическими методами исследований. Вибровоздействия на пласт и массив осуществляют поэтапно.

Вначале приводят их в возбужденное состояние в диапазоне 60-1500 Гц в совокупности с нагнетанием разупрочняющих растворов - ПАВ, гидроокиси натрия или гидроокиси натрия с метанолом, нагретых до 80^оС и вибровоздействия осуществляют в течение времени, при котором деформации растяжения в пласте сменят деформации сжатия, что соответствует оптимальной проницаемости пласта.

После этого переходят на частоту собственных колебаний пласта или пород и вибровоздействия осуществляют в течение времени, при котором напряжения в пласте не достигнут величины, примерно равной 0,5 от разрушающих напряжений, и поддерживая амплитуду колебаний на достигнутом уровне, нагнетают в скважину рабочую жидкость с добавкой 50-75% газов под давлением с расклинивающими агентами с размерами частиц 0,03-0,15 мм в виде спеченных частиц боксита, способных выдерживать давление до 4800 кг/м³, не дающих порам и трещинам закрыться и служащих новыми концентраторами пор и трещин в пласте, причем частота вибровоздействия во время ИМГ равна частоте нагнетания рабочей жидкости в пласт, то есть вибровоздействия осуществляют в резонансном режиме.

Если на пути распространения упругой волны встречаются участки угля или пород, нагретые свыше 30^оС, то на пути распространения волны в зоне разрежения возникают гидроразрывы - мельчайшие пузырьки, заполненные паром и газом и схлопывающиеся в зоне сжатия волны, вследствие чего возникают интенсивные течения флюидов, способствующие как снижению прочности угля и пород, так и повышению их проницаемости. Для повышения эффективности способа дегазации приведение пласта или пород в возбужденное состояние осуществляют встречными колебаниями из скважин, окаймляющих пласт, при этом частоту вибровоздействия настраивают в резонанс с собственными колебаниями пласта или пород, ограничивая время воздействия с каждой стороны временем миграции флюидов в пласте, и при этом производят контроль за изменением напряженно-деформированного состояния; температуры; газовыделением и его концентрацией до, во время и после вибровоздействия.

Нагнетательные скважины 12 подключены с одной стороны к гидроимпульсатору 10 для нагнетания растворов и приведения пласта в неудароопасное состояние, а с другой - к вакуумному насосу для откачки истекающих из пор и трещин пласта и пород газов с последующей их утилизацией. По истечении необходимого времени источники выключают и переносят на новое место, предварительно пробурив для них новые скважины, или оставляют на старом месте, если сохраняется возможность их повторного использования и получения при этом положительного эффекта. Сущность способа состоит в том, что под воздействием мощных вибрационных нагрузок флюиды - жидкости и газы, содержащиеся в порах и трещинах пласта и пород, перемещаются - мигрируют на несколько порядков быстрее, чем в отсутствии упругой волны. Волны сжатия и растяжения, образующиеся на пути распространения волны, действуют на флюиды как тектонический насос, то есть способствуют их миграции, вследствие чего в пласте имеет место: перераспределение поля упругих напряжений на пути мигрирующих флюидов; дегазация пласта и пород, то есть истечение газов из пор и трещин, кавитирующие процессы при условии, что:
а) если длина волны соизмерима с размерами пор и трещин по их простиранию;
б) частота зондирующих импульсов близка к собственной частоте флюидов, содержащихся в порах и трещинах;
в) направление распространения упругой волны совпадает с направлением пор и трещин по их простиранию;
г) на пути распространения волны встречаются участки пласта или пород, нагретых свыше 30^оС.

Преимущества способа с использованием размещения виброисточников в скважинах позволяют свести поле упругих напряжений к равномерному и снизить риск динамических проявлений горного давления и внезапных выбросов угля породы и газа; работать в выбранном диапазоне частот в режиме накопления упругой энергии и закачать в пласт энергию, необходимую для того, чтобы управлять состоянием и свойствами пласта и пород; снизить энергоемкость способа и увеличить его эффективность.

Использование: для управления состоянием и свойствами угольных пластов и породных массивов во время отработки месторождений подземным способом. Сущность изобретения: с торцов пласта нормально его простиранию в скважинах размещают группу виброисточников, возбуждают упругие колебания в диапазоне 60 - 1500 Гц в совокупности с нагнетанием разупрочняющих растворов. Вибровоздействия осуществляют в течение времени, при котором деформации сжатия пласта перейдут в деформации растяжения. Затем осуществляют в пласте импульсный массированный гидроразрыв в совокупности с нагнетанием в пласт рабочей жидкости с вибровоздействиями на частоте нагнетания рабочей жидкости, измеряют напряженно-деформированное состояние и концентрацию газов до, во время и после вибровоздействия. В качестве рабочей жидкости для нагнетания в пласт используют гидроокись натрия или смесь гидроокиси натрия с метанолом, нагретые до 80°С. 7 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И ПОРОДНЫХ МАССИВОВ, включающий бурение скважин в массив, обустройство их устьевой арматурой, соединенной с насосом и питающим трубопроводом, нагнетание в скважину рабочей жидкости, возбуждение в ней упругих колебаний, определение основной частоты вибровоздействия на горный массив, бурение на удалении от рабочей скважины 3 - 5 длин волн основной частоты дополнительной скважины, размещение в ней невзрывных источников вибровоздействия, определение векторов максимальных главных напряжений, ориентирование осей указанных источников в направлении векторов главных напряжений и поэтапное воздействие на горный массив с начальным предварительным приведением горного массива в колебательное состояние в диапазоне 60 - 1500 Гц, последующее воздействие с частотой, равной частоте колебаний горного массива, измерение напряженно-деформированного состояния пород, определение амплитуды давления в знакопеременной упругой волне из соотношения A = 0,015 · (P · V)^1/3/R (где A - амплитуда давления; P - давление в источнике, кг/см²; V - объем камеры давления источника, м³; R - глубина размещения источника в скважине, м), вибровоздействие с амплитудой давления, равной 0,5 величины разрушающих напряжений, при этом в породы нагнетают технологический раствор с добавкой 3 - 5% ПАВ, и вибровоздействие в течение времени, при котором деформации растяжения сменят деформации сжатия, затем переход на частоту вибровоздействия, равную частоте нагнетания рабочей жидкости в скважину до достижения положительного результата, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа путем снижения энергоемкости и увеличения гидро- и аэродинамических связей угля и пород, в качестве технологического раствора в пласт нагнетают гидроокись натрия или смесь гидроокиси натрия с метанолом, нагретые до 80^oС. 2.Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности трещинообразования и увеличения глубины проникновения жидкости в пласт, осуществляют импульсный массированный гидроразрыв, при этом в рабочую жидкость добавляют 50 - 75% газа под давлением, причем при низких скоростях инжекции в качестве газа используют азот, а при высоких - углекислоту. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при низкой проницаемости пласта или породного массива перед проведением импульсного гидроразрыва осуществляют их кислотную обработку. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве расклинивающих агентов при гидроразрыве используют частицы спеченного боксита. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время дегазации угольного пласта или породного массива производят измерение напряженно-деформированного состояния, температуры и концентрации газовых компонент и определение их химического состава до, во время и после вибровоздействия. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что вибровоздействия осуществляют встречными упругими колебаниями из скважин, окаймляющих пласт, при этом частоту вибровоздействия настраивают в резонанс с собственными колебаниями пласта или массива. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что вибровоздействия осуществляют попеременно сначала с одной стороны пласта, а затем с другой, а время обработки с каждой стороны ограничивают временем миграции флюидов по пласту, определяя его из соотношения T = L/v, где L - длина пласта по простиранию; v - скорость миграции флюидов в пласте. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью предотвращения загазованности горных выработок, формируют сеть вакуумных скважин для отсоса газов, обустраивают их устьевой арматурой, герметизируют и осуществляют вакуумную откачку газов до, во время и после вибровоздействия, причем производят утилизацию истекающих из пласта и пород газов, не допуская их утечки в пространство горных выработок.