СПОСОБ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРЫВА УГОЛЬНОГО ПЛАСТА Российский патент 2006 года по МПК E21B43/267 

Изобретение относится к области горного дела, в частности к проблеме разупрочнения угольного пласта для интенсивного извлечения десорбированного метана.

Известен способ гидравлического разрыва угольного пласта жидкостью, впервые осуществленного в Донбассе в 1957-58 гг. для целей создания первоначальных каналов при подземной газификации угля [1]. Это техническое решение впервые формулирует основы технологии гидроразрыва угольного пласта жидкостями различной вязкости.

Ограниченность известного способа заключается в недостаточности технологических рекомендаций для эффективного разупрочнения угольного пласта.

Известен также способ гидравлического разрыва угольного пласта для целей его дегазации путем импульсной гидрообработки горного массива [2]. Недостатком этого известного технического решения является локальность воздействия, ограниченного лишь небольшой зоной вокруг нагнетательной скважины.

Наиболее близким техническим решением является способ гидравлического разрыва угольного пласта, в котором в качестве рабочей жидкости гидроразрыва применяют суспензию, состоящую из кислотного раствора и твердых частиц [3]. Недостатком этого технического решения является отсутствие технологических рекомендаций по основным стадиям процесса. В результате этого разупрочнение угольного пласта недостаточно эффективно, что обусловливает дебиты угольного метана из скважины не более 5-8 тыс.м³ в сутки.

Целью настоящего изобретения является создание способа гидравлического разрыва угольного пласта, отличающегося максимальным его разупрочнением, а следовательно, и повышенной метаноотдачей.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе гидравлического разрыва угольного пласта, заключающемся в бурении скважины с поверхности, ее обсадке, вскрытии угольного пласта, нагнетании в угольный пласт рабочей жидкости при давлении, достаточном для гидравлического разрыва пласта, с темпом закачки, обеспечивающим создание протяженных трещин, применении в качестве рабочей жидкости последовательно раствора соли, геля с пропантом, вещества, разрушающего гель, с постепенным повышением количества пропанта в геле по мере развития и закрепления образовавшихся трещин, используют в качестве соли хлористый калий, пропант диаметром 20-40 меш, повышение количества пропанта в геле осуществляют постепенно от 50-100 до 500-600 кг/м³. Кроме того, вскрытие угольного пласта осуществляют путем фрезирования обсадной колонны и цементного кольца в средней части пласта в интервале 100 мм на высоту 50-100 мм, либо путем его разбуривания ниже обсадной колонны скважины на 50-100 мм.

Сопоставительный анализ предложенного решения с прототипом показывает, что гидравлический разрыв угольного пласта осуществляют первоначально с использованием хлористого калия KCl и применением пропанта, а повышение количества пропанта в геле осуществляют постепенно от 50-100 до 500-600 кг/м³.

Кроме того, гидравлический разрыв и закачку пропанта в образованную щель осуществляют через специальную зону ограниченной поверхности, образованную либо разбуриванием угольного пласта, либо фрезированием обсадной колонны и цементного кольца. Все эти отличительные признаки соответствуют критерию "новизна" для заявляемого способа.

Заявляемый способ был частично реализован на экспериментальном участке в Южном Кузбассе при проведении гидравлических разрывов на угольных пластах. Способ отрабатывается на 4 экспериментальных скважинах (УМ-1.1; УМ-1.2; УМ-5.1 и УМ-5.2).

В каждой скважине гидроразрыву подвергались несколько угольных пластов на глубинах от 550 до 950 м. Давление гидравлического разрыва угольных пластов не глубине 940-950 м равнялось 28,0 - 30,0 МПа, а на глубине 550-560 м - 15,0 - 16,0 МПа. Давление гидроразрыва промежуточных угольных пластов (всего вскрывалось 4-5 угольных пластов), в зависимости от глубины их залегания, находилось в пределах от 15-16 до 28-30 МПа.

Исходя из физико-технических соображений, процесс гидроразрыва угольного пласта начинали с нагнетания раствора соли (в нашем случае - KCl). Главная задача этой операции - промыть поверхность микрощели и очистить ее от возможных включений породы и других веществ, способных уменьшить проходное сечение.

После этого в скважины нагнетали гель с различным содержанием пропанта. В качестве пропанта были использованы керамические шарики диаметром до 1,5-2,0 мм, преимущественно 0,4-0,8 мм после просеивания на сите, что соответствовало 20-40 меш. В первый момент раскрытия щели содержание пропанта ограничивалось величиной 50-100 кг на 1 м³ геля с пропантом. При большем содержании пропанта в скважине образовывались пробки (излишнего пропанта), что вызывало необходимость аварийной чистки скважины.

По мере раскрытия щели и продвижения керамических шариков вдоль нее концентрацию пропанта постепенно увеличивали до 500-600 кг/м³. При содержании пропанта более 600 кг/м³, как правило, на забое скважины также возникали пробки. Это явилось основанием для рекомендации по содержанию пропанта в геле от 50-100 до 500-600 кг/м³.

В качестве геля применяли водный раствор гуаровой смолы (концентрация смолы - 1 кг на 3800 л раствора).

После завершения "продавливания" расчетного количества пропанта щель промывалась специальным раствором, разрушающим гель. В качестве раствора, разрушающего гель, применяли этиленгликоль или гликолевый эфир. Основная цель этой стадии - предотвращение "закупоривания" созданной щели и экологического загрязнения подземных вод.

С целью отработки оптимальной технологии вскрытия угольного пласта было проведено два эксперимента. В одном случае на забое вертикальной скважины (после ее цементажа) разбурили угольный пласт ниже обсадной колонны на 60 мм. В другом случае в этой же скважине вышележащий угольный пласт был вскрыт путем фрезирования обсадной колонны и цементного кольца в средней части пласта в интервале 100 мм на высоту 60 мм.

В отличие от способа вскрытия угольного пласта путем перфорации колонны в данных вариантах вскрытия практически исчезли проблемы с образованием пробок пропанта. При этом также соблюдалась выявленная тенденция по содержанию пропанта в геле от 50-100 до 500-600 кг/м³.

Отработанные в эксперименте технологические параметры процесса гидравлического разрыва угольного пласта можно считать оптимальными. Разработанные технологические приемы будут использоваться при создании углеметановых промышленных промыслов в Кузбассе. Уже через 2-3 года планируется добывать в Кузбассе до 3 млрд.м³ угольного метана ежегодно.

Пример 1. Скважина УМ-1.1 пробурена, обсажена, вскрыт пласт на глубине 947 м фрезированием обсадной колонны и цементного кольца в средней части пласта в интервале 100 мм на высоту 60 мм. Провели гидродинамические испытания угольного пласта на этой глубине. В скважину нагнеталась вода, работал один насос с темпом закачки от 0,1 до 0,6 м³/мин. До давления 27 МПа темп закачки был минимальным (0,1 м³/мин). После достижения давления 27 МПа приемистость скважины резко возросла, и темп закачки воды установился равным 0.6 м³/мин при давлении 30 МПа. Этот период соответствовал созданию в угольном пласте протяженной трещины (микрощели гидроразрыва).

Прокачку через микрощель раствора хлористого калия (KCl) производили для очистки стенок щели от возможных веществ, снижающих ее проходное сечение. Скважину заполнили 10%-ным раствором KCl (объем скважины - 16,7 м³) и прокачали его через щель в течение 0,5 часа (темп закачки 0,6 м³/мин).

Закрепление микрощели гидроразрыва осуществляли керамическими шариками диаметром 20-40 меш (пропантом). В качестве носителя-геля использовали водный раствор гуаровой смолы.

Смесь пропанта с гелем готовилась на поверхности в специальном смесителе, размещаемом рядом с головкой скважины. Наращивание концентрации пропанта в геле осуществляется постепенно. В частности, при гидроразрыве на скважине УМ-1.1 концентрацию пропанта увеличивали в 4 этапа: 80, 210, 400 и 550 кг/м³. Соответственно эти смеси пропанта с гелем готовили в смесителе.

Каждый этап осуществлялся в течение примерно 10 мин при темпе закачки 3 м³/мин (работало 4 насоса) и давлении нагнетания 30 МПа.

И, наконец, в последней операции щель с пропантом промывалась раствором гликолевого эфира, разрушающим гуаровую смолу и предотвращающим экологическое загрязнение подземных вод и «закупоривание» щели гидроразрыва (микрощели гидроразрыва, закрепленной пропантом).

Пример 2. Аналогично примеру 1, но вскрываем нижележащий пласт - на забое вертикальной скважины (после ее цементажа) разбурили угольный пласт ниже обсадной колонны на 60 мм.

Источники информации

1. Федоров Н.А. и др. Использование процесса гидравлического разрыва каменноугольных пластов на глубине больше 250 м. Труды ВНИИПромгаза, 1962, вып.6, с.62-78.

2. А.с. №1550174, E 21 F 7/00, 1990.

3. Патент Франции №2567955, 4 E 21 В 43/26, 1984 (прототип).

Изобретение относится к области горного дела, в частности к проблеме разупрочнения угольного пласта для интенсивного извлечения десорбированного метана. Технический результат изобретения - максимальное разупрочнение пласта, повышение метаноотдачи. В способе гидравлического разрыва угольного пласта, заключающемся в бурении скважины с поверхности, ее обсадке, вскрытии угольного пласта, нагнетании в угольный пласт рабочей жидкости при давлении, достаточном для гидравлического разрыва пласта, с темпом закачки, обеспечивающим создание протяженных трещин, применении в качестве рабочей жидкости последовательно раствора соли, геля с пропантом, вещества, разрушающего гель, с постепенным повышением количества пропанта в геле от 50-100 до 500-600 кг/м³ по мере развития и закрепления образовавшихся трещин, используют в качестве соли хлористый калий, пропант диаметром 20-40 меш, вскрытие угольного пласта осуществляют путем фрезерования обсадной колонны и цементного кольца в средней части пласта в интервале 100 мм на высоту 50 - 100 мм, либо путем его разбуривания ниже обсадной колонны скважины на 50 - 100 мм. 2 з. п. ф-лы.

1. Способ гидравлического разрыва угольного пласта, заключающийся в бурении скважины с поверхности, ее обсадке, вскрытии угольного пласта, нагнетании в угольный пласт рабочей жидкости при давлении, достаточном для гидравлического разрыва пласта, с темпом закачки, обеспечивающим создание протяженных трещин, применении в качестве рабочей жидкости последовательно раствора соли, геля с пропантом, вещества, разрушающего гель, с постепенным повышением количества пропанта в геле по мере развития и закрепления образовавшихся трещин, отличающийся тем, что используют в качестве соли хлористый калий, пропант диаметром 20-40 меш, повышение количества пропанта в геле осуществляют постепенно от 50-100 до 500-600 кг/м³, а вскрытие угольного пласта осуществляют путем фрезерования обсадной колонны и цементного кольца в средней части пласта либо путем его разбуривания ниже обсадной колонны скважины.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что фрезерование обсадной колонны и цементного кольца в средней части пласта осуществляют в интервале 100 мм на высоту 50-100 мм.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что разбуривание ниже обсадной колонны скважины осуществляют на 50-100 мм.