СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА Российский патент 2000 года по МПК E21F7/00 E21B43/295 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для повышения безопасности горных работ в шахтах, разрабатывающих газоносные угольные пласты, а также для извлечения метана из угольных пластов для использования его в промышленных целях и улучшения экологической обстановки в угледобывающих регионах.

Известен способ дегазации угольных пластов, который включает бурение скважины с поверхности, обсадку ее трубами, тампонаж затрубного пространства, нагнетание в пласт через скважину рабочей жидкости в режиме гидрорасчленения, выдержку ее в пласте и оттеснение из фильтрующих трещин путем нагнетания в пласт сжатого воздуха с последующей дегазацией пласта через скважину [1].

Недостатком известного способа является то, что создание повышенной трещиноватости в напряженном газонасыщенном массиве требует больших затрат энергии для закачки флюидов под давлением, преодоления сил горного давления, противодавления, заключенного в угле газа и осуществления деформаций трещинообразования. Другим недостатком технологии гидрорасчленения является снижение газопроницаемости массива после снятия давления жидкости и смыкания трещин под действием сил горного давления вслед за откачкой из них жидкости гидрорасчленения, что влечет за собой также снижение эффективности способа с ростом глубины залегания дегазируемых пластов.

Известен способ дегазации угольного пласта, включающий бурение скважины с поверхности, обсадку ее трубами с последующим тампонажем затрубного пространства, силовое воздействие давлением рабочей жидкости в породах кровли и почвы с наименьшей прочностью при формировании трещин и извлечение газа [2]. Этот способ взят в качестве прототипа.

Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает достаточной дегазации пласта, поскольку трещины формируются за его пределами и через некоторое время они смыкаются под действием горного давления.

Известен также способ дегазации газонасыщенных сред, включающий бурение скважин, их обсадку и силовое воздействие на среду, при этом силовое воздействие определяется давлением газа в пласте [3].

Недостатком данного способа является то, что разгрузка угольного пласта и трещинообразование осуществлено только в прискважинной зоне, а режим разрушения угольного пласта не является оптимальным, поскольку он учитывает только давление газа в угольном пласте.

Задачей изобретения является повышение эффективности дегазации угольного пласта путем увеличения его газопроницаемости и разгрузки от горного давления, а также снижение энергозатрат на ее осуществление.

Это достигается тем, что в способе дегазации угольного пласта, включающем бурение скважины, обсадку ее трубами с последующим тампонажем затрубного пространства, силовое воздействие давлением рабочей жидкости в зоне с наименьшей прочностью при формировании трещин и извлечение газа, определяют газоносность угольного пласта, а место заложения трещины-полости в угольном пласте выбирают из условия:

где B_i - показатель устойчивости слоя угольного пласта;
α- эмпирический коэффициент, равный 0,04;
X - газоносность угольного пласта;
(f_k)_i - показатель прочности слоя угля;
n - число слоев в пласте,
далее при формировании полости в угольном пласте циклически воздействуют на него давлением рабочей жидкости, изменяющимся в диапазоне подъема давления до величины, большей чем 0,3 (gγH - P) + P, где g - ускорение свободного падения; γ- плотность налегающей толщи пород; H - глубина залегания пласта; P - давление газа в пласте, но меньшей критического давления гидрорасчленения 0,75 gγH, и сброса давления до величины, меньшей 0,24gγ H + 0,76P. Кроме того, при геологическом нарушении угольного пласта протяженность трещины-полости равна расстоянию от скважины до этого нарушения, а после формирования полости дополнительно производят, например, пневмотепловое воздействие на угольный пласт в режиме его расчленения.

Выбор места заложения трещины-полости с учетом прочности слоев угольного пласта и газоносности пласта позволяет определить наименее устойчивый слой угольного пласта, обладающий энергией газа и горного давления, обеспечивающей процесс саморазрушения угольного пласта.

Гидродинамическое воздействие давлением рабочей жидкости на выделенный по вышеуказанному критерию слой угольного пласта в режиме, учитывающим как давление газа в пласте, так и горное давление, позволяет вызывать процесс лавинного разрушения слоя угля и образовать трещину-полость максимальной протяженности для конкретных горно-геологических условий горного пласта при минимальных энергетических затратах.

Вышеуказанная трещина-полость формирует вокруг себя в угольном пласте зону повышенной трещиноватости и высокой проницаемости, разгруженную от горного давления, резко повышающую газоотдачу пласта.

На фигуре показана технологическая схема для реализации предложенного способа дегазации угольного пласта.

Способ дегазации осуществляют следующим образом.

Газонасыщенный угольный пласт 1 вскрывают скважиной 2 с поверхности. Определяют газоносность и прочность угля в месте пересечения рабочего пласта 1 скважиной 2 известными методами, например, по геологоразведочным данным. Затем выбирают место заложения трещины-полости в угольном пласте 1, исходя из условия:

где B_i - показатель устойчивости слоя угольного пласта;
α - эмпирический коэффициент, равный 0,04;
X - газоносность угольного пласта;
(f_k)_i - показатель прочности слоя угля;
n - число слоев в пласте.

Затем обсаживают скважину 2 трубами 3 с двойными стенками для подачи под давлением рабочей жидкости и воздуха, тампонируют затрубное пространство 4. Далее производят перфорацию обсадной колонны с образованием щели 5, расположенной напротив выбранного места заложения трещины-полости в угольном пласте. Формирование трещины-полости 6 осуществляют в два этапа. На первом этапе образуют полость на глубину 1-3 м гидравлическим размывом или пескоструйным способом, а на втором - увеличивают ее протяженность путем циклического воздействия на угольный пласт давлением рабочей жидкости, изменяющимся в диапазоне подъема давления нагнетания (P_н) до величины, большей 0,3 (gγH - P) + P (где g - ускорение свободного падения; γ - плотность налегающей толщи пород; H - глубина залегания пласта; P - давление газа в пласте), но меньшей критического давления гидрорасчленения 0,75 gγH и быстрого сброса давления (P_с) до величины, меньшей 0,24 gγH + 0,76P. При циклическом гидродинамическом воздействии жидкости на выбранный слой угольного пласта, в вышеуказанном режиме, в нем образуется зона предварительного разрушения 7 с системой трещин, заполняемых газом, десорбирующимся из угля. Количество циклов гидродинамического воздействия определяют экспериментально с учетом прочности, газоносности угольного слоя и горного давления. Далее осуществляют быстрый сброс давления с максимального давления нагнетания рабочей жидкости до атмосферного давления. В результате этого происходит разрушение и выброс угля и газа из зоны предварительного разрушения 7 с захватом некоторой прилегающей по простиранию зоны слоя. Выдача угольного штыба (пульпы) из скважины производится общеизвестным способом.

Режим силового воздействия и режим выдачи угольного штыба в процессе создания щелевой полости повторяется многократно и контролируется по выходу штыба из скважины. Созданная протяженная щелевидная полость формирует вокруг себя в угольном пласте зону высокой трещиноватости и газопроницаемости 8, разгруженную от горного давления, в которой открытые трещины за счет разгрузки их от горного давления, обеспечивают резкий рост газопроницаемости угля, а частично разрушенный уголь за счет возникновения новых поверхностей дегазации увеличивает скорость газовыделения десорбирующегося из угля газа. После создания щелевой полости производится извлечение метана из угольного пласта путем его самоистечения в щелевую полость и скважину.

В случае геологического нарушения угольного пласта, связанного с выклиниванием угольного слоя, протяженность полости определяется расстоянием от скважины до этого нарушения. Дальнейшую обработку угольного пласта осуществляют путем, например, пневмотеплового воздействия на угольный пласт в режиме его расчленения.

Пример реализации способа. Метаносодержащий угольный пласт 1 вскрывают на глубине 470 м скважиной 2 (диаметр скважины равен 112 мм) и осуществляют работы по ее оборудованию - обсадку трубами с последующим тампонажем затрубного пространства. Угольный пласт по геологоразведочным данным состоит из четырех слоев мощностью 4 м; 1,2 м; 0,7 м; 0,9 м соответственно от кровли к почве. После определения показателя прочности каждого слоя по данным кавернометрии пласта ("Руководство по определению степени (категории) выбросоопасности угольных пластов и забоев горных выработок с учетом глубины и технологии ведения горных работ" ННЦ ГП-ИГД им.А.А.Скочинского, ВостНИИ, Люберцы-Кемерово, 1999 г.) f_k(1) = 0,93; f_k(2) = 0,83; f_k(3) = 0,67; f_k(4)= 0,83 и газоносности угольного пласта в месте пластопересечения X = 24 м³/т, и принимая α = 0,04, определяют показатели устойчивости для каждого слоя угольного пласта, которые равны соответственно B₁ = 1,03; B₂ = 1,16; B₃ = 1,43; B₄ = 1,16. Наиболее оптимальным местом заложения трещины-полости является слой угля, имеющий показатель устойчивости B₃ = 1,43. В трубе напротив выбранного места вырезают окна - отверстия для нагнетания рабочей жидкости и выдачи пульпы. Формирование трещины-полости осуществляют в два этапа. На первом этапе образуют полость пескоструйным способом на глубину 3 м, а на втором - увеличивают ее протяженность путем циклического воздействия на угольный пласт рабочей жидкостью в диапазоне подъема давления нагнетания до величины, большей 0,3(gγH - P) + P = 0,3(11,7-2)+2 = 4,9 МПа, (в расчетах было принято g = 9,8 м/c²; γ = 2,5•10³ кг/м³, H = 470 м и P = 2 МПа), но меньшей критического давления гидрорасчленения 0,75 gγH = 0,75•11,7 = 8,6 МПа, т.е. P_н = 4,9-8,6 МПа. Было принято давление нагнетания P_н = 6-7 МПа и производился сброс давления до величины, меньшей 0,24 gγH + 0,76P = 0,24•11,7 + 0,76•2 = 4,33 МПа. При циклическом гидродинамическом воздействии жидкости на выбранный слой угольного пласта, в вышеуказанном режиме, в нем образуется зона предварительного разрушения с системой трещин, заполняемых метаном. Количество циклов гидродинамического воздействия было принято равным 10. Далее осуществляли нагнетание рабочей жидкости до максимального давления 7 МПа и быстрый его сброс до атмосферного. В результате произошло лавинное разрушение угля и выброс его из зоны предварительного разрушения. Выдача угольного штыба (пульпы) осуществлялось из скважины общеизвестным способом. Режим силового воздействия и режим выдачи угольного штыба в процессе создания щелевой полости повторялся многократно и контролировался по выходу штыба из скважины. В рассматриваемых примером условиях выдается приблизительно 130 - 150 т угля из скважины. Созданная протяженная щелевидная полость формирует вокруг себя в угольном пласте зону высокой трещиноватости и газопроницаемости, разгруженную от горного давления, в которой открытые трещины за счет разгрузки их от горного давления обеспечивают рост газопроницаемости угля в 10 - 100 раз, а частично разрушенный уголь за счет возникновения новых поверхностей дегазации увеличивает скорость газовыделения десорбирующегося из угля газа.

После создания щелевой полости производится извлечение метана из угольного пласта путем его самоистечения в щелевую полость и скважину. Дебит метана из скважины через 3 месяца ее эксплуатации составил 1,5 м³/мин, что удовлетворило техническим требованиям проекта.

Энергетические затраты при дегазации угольного пласта уменьшаются за счет использования энергии газа и горного давления при создании зоны высокой трещиноватости и газопроницаемости.

Источники информации
1. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. - Изд.МГГУ, М., 1996, с. 15-17, 305-311.

2. Патент РФ N 2117764 на "Способ дегазации угольных пластов" по кл. E 21 F 7/00 от 20.08.98 г. Б.N 23 (прототип).

3. Патент РФ N 2054121 на "Способ дегазации газонасыщенных сред" по кл. E 21 F 7/00 Б. N 4, 96 г.

Использование: горная промышленность при дегазации угольного пласта. Сущность изобретения: угольный пласт вскрывают скважиной, которую обсаживают трубами с последующим тампонажем затрубного пространства. Выбирают место заложения трещины - полости в угольном пласте, исходя из условия: В_i = αX/(f_к)_i ≥ 1, i = l, 2, ..., n, где В_i - показатель устойчивости слоя угольного пласта; α - эмпирический коэффициент, равный 0,04; Х - газоносность угольного пласта; (f_k)_i - показатель прочности слоя угля; n - число слоев в пласте. В выбранном по вышеуказанному критерию слое формируют плотность посредством гидродинамического воздействия давлением рабочей жидкости в режиме, учитывающем как давление газа в пласте, так и горное давление. Это позволяет создать зону повышенной газопроницаемости в пласте, разгруженную от горного давления, и в результате, повысить газоотдачу угольного пласта. При формировании полости циклически воздействуют на пласт давлением рабочей жидкости, изменяющимся в диапазоне подъема давления до величины, большей чем 0,3 (gγH-P)+P, где g - ускорение свободного падения; γ - плотность налегающей толщи пород, Н - глубина залегания пласта, Р - давление газа в пласте, но меньшей критического давления гидрорасчленения 0,75 gγH, и сброса давления до величины, меньшей 0,24 gγH + 0,76 P. При геологическом нарушении угольного пласта протяженность трещины полости равна расстоянию от скважины до этого нарушения. После формирования полости дополнительно производят, например, пневмотепловое воздействие на угольный пласт, в режиме его расчленения 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ дегазации угольного пласта, включающий бурение скважины, обсадку ее трубами с последующим тампонажем затрубного пространства, силовое воздействие давлением рабочей жидкости в зоне с наименьшей прочностью при формировании трещин и извлечение газа, отличающийся тем, что определяют газоносность угольного пласта, а место заложения трещины - полости в угольном пласте выбирают из условия
B_i = αX/(f_k)_i ≥ 1, i = 1,2,...,n,
где B_i - показатель устойчивости слоя угольного пласта;
α - эмпирический коэффициент, равный 0,04;
Х - газоносность угольного пласта;
(f_k)_i - показатель прочности слоя угля;
n - число слоев в пласте,
далее при формировании полости в угольном пласте циклически воздействуют на него давлением рабочей жидкости, изменяющимся в диапазоне подъема давления до величины, большей, чем 0,3(gγН-Р)+Р, где g - ускорение свободного падения, γ - плотность налегающей толщи пород, Н - глубина залегания пласта, Р - давление газа в пласте, но меньшей критического давления гидрорасчленения 0,75gγH, и сброса давления до величины, меньшей 0,24gγH + 0,76P. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при геологическом нарушении угольного пласта протяженность трещины - полости равна расстоянию от скважины до этого нарушения, а после формирования полости дополнительно производят, например, пневмотепловое воздействие на угольный пласт в режиме его расчленения.