СПОСОБ ОБРАБОТКИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА Российский патент 2004 года по МПК E21F7/00 E21B43/26 

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

Известен способ обработки угольного пласта, включающий бурение скважины с поверхности, нагнетание рабочей жидкости в угольный пласт в режиме гидравлического разрыва природных трещин, последующее удаление жидкости из пласта [1]. После гидравлической обработки угольного пласта осуществляют съем метана для его промышленного использования.

Недостатком этого способа является низкая проницаемость угля в околоскважинной зоне из-за высокого опорного горного давления породного массива, что препятствует аэро- или гидродинамической связи угольного пласта с полостью скважины.

Известен способ обработки угольного пласта, включающий бурение скважины с поверхности и создание двух вертикальных щелей, симметрично расположенных относительно оси скважины [2]. Этот способ взят нами в качестве прототипа.

Недостатком данного способа является неравномерная разгрузка угольного пласта от горного давления, происходящая преимущественно в горизонтальном направлении - к плоскости образованных щелей. По этой причине имеет место раскрытие только тех микро- и макротрещин, плоскости которых ориентированы перпендикулярно направлению разгрузки. При этом значительная часть природных трещин другой направленности, например наклонных или перпендикулярных направлению разгрузки, не раскрывается, и по этой причине эффект повышения проницаемости угольного пласта во всех радиальных направлениях относительно оси скважины реализуется не в полной мере. По этой причине имеет место невысокая метаноотдача угольного пласта. Кроме того, при использовании технологии гидравлической обработки пласта путем нагнетания рабочей жидкости имеет место неравномерное распределение в окружном направлении фильтрационного потока, что снижает эффективность технологического процесса гидравлической обработки.

Задачей изобретения является повышение проницаемости угля в околоскважинной зоне за счет перераспределения вертикальной составляющей опорного давления в сдвиговую, что обеспечивает большую степень раскрытия микро- и макротрещин в окружном и радиальном направлениях, а следовательно, повышение метаноотдачи пласта.

Это достигается тем, что в способе обработки угольного пласта, включающем бурение скважины с поверхности и создание двух вертикальных щелей, симметрично расположенных относительно оси скважины, формируют дополнительные равномерно размещенные по мощности пласта пары вертикальных щелей, каждую вышележащую из которых смещают относительно нижележащей в горизонтальной плоскости на одинаковый острый угол.

Кроме того, при обработке средних и мощных пластов угол смещения вертикальных щелей составляет 30...45°, а высота где m - мощность пласта, м, при этом расстояние между концами щелей одной пары определяют из выражения где λ - коэффициент бокового распора породного массива. При обработке пластов малой мощности угол смещения вертикальных щелей составляет более 45°, а высота .

На фиг.1а, б показан разрез скважины с одной парой щелей, сформированных у почвы угольного пласта, и разрез по А-А.

На фиг.2а, б показан разрез скважины с несколькими парами щелей, равномерно расположенными по мощности пласта, и разрез по В-В.

Способ обработки угольного пласта заключается в следующем.

Угольный пласт 1 вскрывают с поверхности скважиной 2 и спускают гидропескоструйный перфоратор 3 с соплами 4 на забой скважины. Под действием гидродинамической пескоструйной струи перфоратора 3 создают первую пару вертикальных щелей 5 высотой h, каждая из которых симметрично расположена относительно оси скважины. Процесс формирования щелей осуществляют в режиме возвратно-поступательного движения перфоратора 3 с помощью механизма 6 вертикального перемещения, например с помощью лебедки с приводом (на чертеже не показаны) и штанги 7. Затем перфоратор 3 поднимают на следующий горизонтальный уровень и поворачивают посредством вращательного механизма 8, например вертлюга с приводом (на чертеже не показано), на заданный острый угол α. Величину угла α задают в зависимости от крепости угля и мощности пласта, при этом чем больше крепость угля, тем меньше угол поворота. При обработке средних и мощных пластов угол смещения вертикальных щелей составляет 30...45°, а при обработке пластов малой мощности - более 45°. Далее под действием гидродинамической струи перфоратора 3 создают вторую пару щелей 9. Процесс формирования последующих пар щелей 10, 11 и 12 аналогичен вышеописанному. При этом все пары щелей равномерно размещают по мощности угольного пласта, что позволяет осуществить равномерную разгрузку пласта и приводит к возникновению вращательного момента в породном массиве, в околоскважинной зоне, в горизонтальной плоскости. Потенциальная энергия сдвиговых деформаций расходуется на раскрытие множества природных трещин, находящихся в области действия касательных напряжений. Высоту каждой щели для средних и мощных пластов выбирают из условия где m - мощность пласта, м. Указанное условие обеспечивает поворот последней пары щелей 12, расположенной у кровли угольного пласта, на угол не менее 180° относительно первой пары щелей 5, расположенной у почвы угольного пласта. Высота щелей при обработке пластов малой мощности составляет .

Для обеспечения равномерного раскрытия трещин в вертикальном и горизонтальном направлениях необходимо равенство растягивающих напряжений в указанных направлениях в зоне разгрузки, что возможно при равенстве изгибающих моментов, деформирующих плоскости обнажения, образованных каждой парой щелей. С учетом коэффициента бокового распора λ расстояние между концами щелей одной пары для пластов любой мощности определяется из выражения

После формирования щелей с указанными геометрическими параметрами зона угольного массива вокруг скважины 2 приобретает повышенную проницаемость. В дальнейшем при высоких дебитах метана осуществляют непосредственно дегазацию угольного пласта 1, а при малых дебитах - его гидравлическую обработку в режиме нагнетания воды. Потенциальная энергия сдвиговых деформаций расходуется на раскрытие большого количества трещин в радиальном и окружном направлениях пласта 1, что обеспечивает увеличение радиуса обработки угольного пласта и повышенный дебит метана в скважину 2.

Пример реализации 1. Месторождение Карагандинского угольного бассейна Казахстана, шахта "Казахстанская", содержит метаноносные, выбросоопасные угольные пласты, требующие заблаговременной дегазации.

Особо опасный угольный пласт мощностью m=8 м расположен на глубине 500 м. Тип угля - антрацит, крепостью 4-5 по шкале проф. М.М.Протодьяконова. Коэффициент бокового распора по данным практики составляет λ=0,8.

С поверхности бурят скважину до подошвы угольного паста. Далее осуществляют формирование пар вертикальных щелей, высоту которых выбирают из диапазона Учитывая крепость угля, определяют нижнее значение диапазона h=1,14 м. Угол смещения вертикальных щелей выбирают равным α=30°, а расстояние между концами щелей каждой пары составляет Данное расстояние между концами щелей обеспечивает пескоструйный перфоратор АП-6М80 конструкции ВНИИ нефти и газа. В процессе возвратно-поступательного перемещения штанги с перфоратором в течение 40 минут происходит образование каждой последовательной пары щелей. После образования первой пары щелей осуществляют поворот перфоратора на угол 30° и операцию формирования следующей пары щелей осуществляют на следующем горизонтальном уровне. В указанных условиях при мощности пласта 8 м требуется 7 пар щелей, при этом последняя пара смещена относительно первой на угол 180°. После формирования щелей в указанной последовательности дебит метана из скважины составил 8 нм³/мин, что выше, чем в прототипе, почти в 3 раза. Затем была произведена гидравлическая обработка угольного пласта в режиме нагнетания в пласт воды. После завершения гидрообработки и откачки воды из скважины дебит метана составил 15 нм³/мин, что также в 2-3 раза выше по сравнению с прототипом.

Пример реализации 2. На этой же шахте разрабатывается защитный метаноносный угольный пласт мощностью 1,1 м, крепость угля f=2-3 по шкале М.М.Протодьяконова. Коэффициент бокового распора составляет λ=0,6. В данном случае высоту щелей выбирают из диапазона Учитывая невысокую крепость угля, высоту каждой пары щелей принимают из указанного диапазона равной h=0,37 м. Тогда расстояние между концами щелей каждой пары составляет Для формирования щелей выбираем тот же тип перфоратора, который обеспечивает образование одной пары щелей в течение 20 мин. Количество щелей составляет 4 штуки, что соответствует углу смещения вертикальных щелей 60°, при этом последняя пара щелей смещена относительно первой на угол 180°.

Практическая реализация способа позволила повысить дебит метана из скважины в 2-3 раза по сравнению с прототипом.

Источники информации

1. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. - М.: Изд-во МГГУ. 1996, с. 57-67.

2. Авт. свид. СССР №1031263, МКИ⁵ Е 21 В 43/26 (прототип).

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при дегазации угольных пластов и вскрытии продуктивных пластов при добыче нефти и газа. Техническим результатом изобретения является повышение проницаемости угля и повышение метаноотдачи пласта. Для этого бурят скважины с поверхности и создают несколько равномерно размещенных по мощности пласта пар вертикальных щелей. Каждая вышележащая пара щелей смещена относительно нижележащей в горизонтальной плоскости на одинаковый острый угол. При обработке средних и мощных пластов угол смещения вертикальных щелей составляет 30..45°, а высота h=(1/7-1/5)·m, где m - мощность пласта, м. При обработке пластов малой мощности угол смещения вертикальных щелей составляет более 45°, а высота h=(1/5-1/2)·m. Расстояние между концами щелей одной пары для пластов любой мощности определяют из выражения 1=h/λ, где λ - коэффициент бокового распора породного массива. Способ позволяет повысить дебит метана из скважины в 2-3 раза. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обработки угольного пласта, включающий бурение скважины с поверхности и создание двух вертикальных щелей, симметрично расположенных относительно оси скважины, отличающийся тем, что формируют дополнительные равномерно размещенные по мощности пласта пары вертикальных щелей, каждую вышележащую из которых смещают относительно нижележащей - в горизонтальной плоскости на одинаковый острый угол.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при обработке средних и мощных пластов угол смещения вертикальных щелей составляет 30...45°, а высота –

где m - мощность пласта, м,

при этом расстояние между концами щелей одной пары определяют из выражения

где λ - коэффициент бокового распора породного массива.