СПОСОБ РАЗРЫВА ПЛАСТА Российский патент 2008 года по МПК E21B43/26 

Техническое решение относится к горному делу и может быть использовано для повышения продуктивности скважин при добыче воды, нефти, газа, дегазации угольных пластов.

Известен способ воздействия на угольный пласт по патенту РФ №2041347, кл. Е21В 43/26, опубл. в БИ №22, 1995 г. Он включает гидравлический разрыв пласта и последующее расширение образовавшейся щели гидроразрыва путем промывки жидкостью и продувки воздухом. Продувку воздухом осуществляют на расходе, превышающем расход жидкости при промывке в 5÷15 раз.

Жидкость или воздух двигаются по пути наименьшего сопротивления, образуя систему каналов в виде рукавов из переходящих одна в другую трещин. Сплошной трещины, как правило, не образуется. Процесс разрыва пласта практически неуправляем. Поэтому способ обладает сравнительно низкой эффективностью.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ гидравлического разрыва пласта по патенту РФ №2164290, кл. Е21В 41/26, опубл. в БИ №24, 1999 г., включающий закачку жидкости разрыва при забойном давлении выше давления разрыва пласта и создание трещины, снижение забойного давления ниже давления разрыва пласта, закачку суспензии с закрепляющим материалом и закачку продавочной жидкости с темпом, обеспечивающим подъем забойного давления выше давления разрыва пласта. Жидкость разрыва закачивают в объеме, обеспечивающем создание трещины длиной, превышающей радиус прискважинной зоны пласта сниженной проницаемости. При этом используют суспензию с закрепляющим материалом в виде геля и закачивают ее в объеме, большем объема созданной трещины.

В этом способе необходим относительно большой расход продавочной жидкости (для подачи закрепляющего материала на значительное расстояние от скважины). Закрепляющий материал в виде геля распределяется в обрабатываемой области неравномерно. Сплошной трещины, как правило, не образуется. Процесс формирования трещины практически неуправляем. Поэтому известный способ также обладает сравнительно низкой эффективностью.

Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности разрыва пласта за счет управления процессом его разрыва и формирования в нем сплошной трещины с большим раскрытием и равномерным заполнением закрепляющего материала.

Задача решается тем, что в способе разрыва пласта, включающем создание через скважину трещины и подачу в трещину закрепляющего материала, согласно предлагаемому техническому решению закрепляющий материал в скважину подают в смеси с пластичным веществом, а трещину создают заданных размеров, с границей разрыва, не выходящей за забой скважины, вытеснением из скважины в пласт смеси определенного объема, после чего в скважину подают трубу, герметизируют скважину на участке нахождения смеси в трещине, а в зазор между трубой и стенками скважины нагнетают жидкость, с помощью которой вымывают из смеси пластичное вещество через зону между границами смеси и трещины и трубу.

Подача в скважину закрепляющего материала в смеси с пластичным веществом создает условие для образования трещины с равномерным распределением в ней частиц закрепляющего материала. Создание трещины заданных размеров, с границей разрыва, не выходящей за забой скважины, вытеснением из скважины в пласт смеси определенного объема позволяет управлять процессом разрыва пласта и формировать в нем сплошную трещину с большим раскрытием. Подача в скважину трубы обеспечивает возможность нагнетания в трещину жидкости между трубой и стенками скважины. Герметизация скважины на участке нахождения смеси в трещине создает условие для протекания жидкости между границами смеси и трещины. Нагнетание жидкости в зазор между трубой и стенками скважины после ее герметизации позволяет вымывать из смеси пластичное вещество через зону между границами смеси и трещины и трубу. В результате сплошная трещина требуемых размеров образуется с высокой пропускной способностью для жидкости и газа, обусловленной большим ее раскрытием и равномерным заполнением закрепляющим материалом, что повышает эффективность разрыва пласта.

Целесообразно в качестве пластичного вещества использовать смесь глины, воды и растворимой в воде соли. Это позволяет изготавливать пластичное вещество с относительно низкими затратами и придавать ему свойство, за счет которого его наружный слой разрыхляется на границе с водной средой (из-за растворения частиц соли), что существенно убыстряет вынос частиц пластичного вещества из сформированной трещины.

Целесообразно до подачи в скважину смеси закрепляющего материала и пластичного вещества в нее подать сыпучий материал. Это позволяет разрывать пласт таким образом, чтобы граница разрыва не заходила за забой скважины, что облегчает удаление пластичного вещества из сформированной трещины.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами фиг.1 и 2.

На фиг.1 показана схема разрыва пласта, на фиг.2 - схема удаления пластичного вещества из сформированной трещины. Стрелками на фиг.2 показано направление движения жидкости между границами смеси и трещины.

В массиве горных пород 1 (фиг.1) бурят скважину 2, нижнюю часть которой заполняют сыпучим материалом 3 (например, песком, гравием), а верхнюю часть - смесью 4 закрепляющего материала и пластичного вещества. С помощью плунжера 5 смесь 4 вытесняют из скважины 2, отчего формируется трещина 6. На границе трещины 6 образуется свободная от смеси 4 зона 7 (далее зона 7). После формирования трещины 6 заданных размеров, с границей разрыва, не выходящей за забой скважины 2, в скважину 2 (фиг.2) подают трубу 8 (колонну труб) с герметизатором 9 на конце до упора в сыпучий материал 3. С помощью насоса 10 между трубой 8 и стенками скважины 2 нагнетают жидкость (не обозначена), которая поступает в зону 7 (между границами смеси 4 и трещины 6). Эта жидкость по зоне 7 поступает в нижнюю часть скважины 2 и вымывает из нее сыпучий материал 3, который через трубу 8 поступает в отстойник 11. Затем жидкость но указанным на фиг.2 стрелкам обтекает смесь 4 по внешней границе и вымывает из нее пластичное вещество. Жидкость с взвешенными в ней частицами пластичного вещества (суспензия) по трубе 8 поступает в отстойник 11. В отстойнике 11 нерастворимая в жидкости часть 12 пластичного вещества оседает на дно, а его растворимая часть 13 по трубе 14 перетекает в бак 15, из которого ее насосом 10 закачивают в сформированную трещину 6. Закачку жидкости насосом 10 осуществляют до полного извлечения пластичного вещества из сформированной трещины 6. После этого демонтируют промывочное оборудование. В результате трещина 6 заданных размеров образуется с высокой пропускной способностью для текучих веществ, которую используют в качестве коллектора, повышающего эффективность извлечения полезного ископаемого (нефть, газ, сланцевое масло, вода) или дегазации пласта, например угольного.

Способ основан на использовании следующих особенностей разрыва пласта пластичными веществами.

В отличие от жидкости пластичное вещество (смесь 4) движется внутри формируемой трещины 6 с большим сопротивлением, обусловленным необходимостью постоянного изменения своей формы и стремлением трещины 6 сомкнуться под действием сил упругости и внешнего давления (например, горного). Поэтому частицы пластичного вещества не столько стремятся проникнуть в глубь трещины 6, сколько раздвинуть ее поверхности и разместиться ближе к месту нагнетания (скважине 2). В результате зона заполнения трещины 6 пластичным веществом становится сплошной. Сплошной становится и сама трещина 6. При этом граница пластичного вещества отстает от границы трещины 6. По границе трещины 6 образуется свободная от пластичного вещества зона 7, давление в которой отсутствует. Благодаря этому повышается способность пересечения формируемой трещиной 6 неоднородностей и естественных трещин (снижается их влияние на ориентацию плоскости разрыва). Связано это с тем, что пластичное вещество в начальный момент не проникает в пересекаемую естественную трещину (ибо отстает от границы формируемой трещины 6) и, следовательно, не развивает ее. Когда же пластичное вещество достигает места расположения естественной трещины, формируемая трещина 6 в этом месте оказывается уже раскрытой. Поэтому пластичному веществу существенно легче двигаться по формируемой трещине 6, чем проникать в естественную трещину.

Развитие формируемой трещины 6 происходит путем раздвижки ее поверхностей давлением, которое действует в зоне, удаленной от ее границы, из-за чего пластичное вещество в трещине 6 проявляет свойство клина. Однако в отличие от механического клина оно изменяет свою форму и контактирует с горной породой по всей поверхности зоны заполнения трещины 6. Через пластичное вещество передается давление, отчего оно выполняет функцию гидравлического усилителя. Прикладываемая к пластичному веществу сила (в месте нагнетания) передается поверхностям трещины 6 многократно увеличенной. Усилие, с которым оно способно воздействовать на горную породу, не может быть достигнуто существующими механизмами. Пластичное вещество обладает сравнительно (с жидкостью) высокой инерционностью, замедляющей динамические процессы. Благодаря этому развитие формируемой трещины 6 после ее возникновения происходит без ощутимых скачков. Совокупность отмеченных особенностей пластичного вещества обеспечивает возможность управления процессом разрыва пласта и создания сплошной трещины 6 практически любых размеров и ориентации в горных породах с любой прочностью.

В известных способах для повышения эффективности разрыва пласта формируемую трещину 6 расклинивают твердыми прочными частицами путем подачи в нее сыпучего материала, например песка. Чтобы частицы сыпучего материала проникали в глубь массива, раскрытие трещины должно быть больше их размеров, а скорость жидкости - достаточной для преодоления их веса либо трения между ними и горной породой. Выполнение этих условий связано с известными трудностями, в частности, обусловленными тем, что скорость жидкости с удалением от скважины 2 снижается из-за ее фильтрации в породный массив и увеличения площади сечения каналов, по которым она течет. Поэтому, чтобы на значительном расстоянии от скважины 2 обеспечить скорость течения, достаточную для преодоления сопротивления расклинивающих частиц перемещению по формируемой трещине 6, необходимо повышать расход жидкости. Однако это связано с существенными дополнительными расходами на приобретение и эксплуатацию высокопроизводительных нагнетательных установок большой мощности.

В отличие от жидкости пластичное вещество из-за отмеченных выше особенностей способно раскрывать трещину 6 на сравнительно большую (исчисляемую сантиметрами) величину и за счет этого подавать в нее относительно большие частицы, например дробленую горную породу (мелкую щебенку). Частицы дробленой горной породы образуют между поверхностями трещины 6 "целики", расстояние между которыми определяется их процентным содержанием в общей массе нагнетаемой смеси 4. Благодаря этому, при удалении из формируемой трещины 6 вмещающего расклинивающие частицы пластичного вещества, образуется множество каналов, по которым извлекаемое полезное ископаемое движется с существенно меньшим сопротивлением, чем через сыпучий материал в известных способах разрыва пласта.

Взаимодействие расклинивающих частиц и вмещающего их пластичного вещества не подчиняется закономерностям, установленным для жидкостей. Расклинивающие частицы не всплывают и не тонут в пластичном веществе независимо от их удельного веса. Из-за этого они перемещаются по формируемой трещине в составе смеси 4 независимо от скорости движения. Это существенно упрощает их подачу (не требуется высокопроизводительных специальных установок).

В качестве пластичного вещества можно использовать различные материалы (пластилин, воск) и вымывать их из сформированной трещины 6 жидкостями, в которых они растворяются. В предлагаемом способе в основу выбора пластичного вещества заложены экологическая безопасность и экономическая целесообразность. Предполагается в качестве пластичного вещества использовать смесь глины, соли и воды, а вымывать ее из трещины 6 водой. Смесь глины и воды обеспечивает пластичность и выполняет функцию связующего частицы соли компонента. Соль выполняет две функции. Во-первых, растворяясь в воде, соль освобождает место, которое она занимала до растворения. Это способствует разрыхлению пластичного вещества на границе его контакта с водой. Во-вторых, соль увеличивает плотность воды и тем самым снижает требования к скорости ее течения, необходимой для выноса взвешенных в ней частиц. Объемы отстойника 11 и бака 15 выбирают, исходя из требований к размерам трещины 6 и фильтрационных особенностей породного массива. К баку 15 может быть подведена система подачи воды (при малой емкости бака 15 и большом расходе воды).

Для формирования трещины 6 предполагается использовать принцип вытеснения в нее из скважины 2 смеси 4 закрепляющего материала и пластичного вещества, который применяется в известных способах разрушения горных пород пластичными веществами, например подачей в скважину плунжера, разгоняемого в режиме свободного падения. Однако в известных способах граница формируемой трещины 6 уходит за пределы забоя скважины 2, что существенно затрудняет полное извлечение из нее пластичного вещества. В предлагаемом способе нижнюю часть скважины 2 заполняют сыпучим материалом 3, например песком, который на границе со смесью 4 выполняет функцию забоя скважины 2, а в потоке жидкости легко выносится по трубе 8 в отстойник 11. Благодаря этому, зона 7 выходит на участок скважины 2, заполненный проницаемым сыпучим материалом 3, отчего для жидкости образуется канал от насоса 10 до отстойника 11 и в начальный момент удаления пластичного вещества из трещины 6. Отметим, что часть сыпучего материала 3 вместе со смесью 4 проникает в трещину 6 во время ее формирования. Однако при правильном ведении работ по разрыву пласта это практически не влияет на эффективность предлагаемого способа.

Способ предполагается использовать для нисходящих скважин 2. Однако он может применяться для организации коллекторов и через восстающие скважины, например, при дегазации угольных пластов из выработок. Для этого жидкость подают через трубу 8, а жидкость с взвешенными в ней частицами пластичного вещества стекает в отстойник 11 через зазор между трубой 8 и стенками скважины 2. В качестве герметизатора 9 можно использовать втулку из упругого материала (например, резины), сравнительно легко скользящей по стенкам скважины 2 во время подачи и извлечения трубы 8. Чтобы жидкость не протекала между стенками скважины 2 и трубой 8 в случае плохой работы герметизатора 9, часть скважины 2 выше герметизатора 9 заполняют глиной, которую затем вымывают вместе с промывкой трещины 6.

На фигурах приведена упрощенная схема разрыва пласта для наглядности. Практически с образованием трещины 6 в нее поступает из пласта полезное ископаемое (газ, нефть, сланцевое масло). Как правило, удельный вес полезного ископаемого меньше удельного веса жидкости, и поэтому оно сосредотачивается в верхней части трещины 6, из-за чего его наличие не оказывает отрицательного влияния на процесс вымывания пластичного вещества из смеси 4. При этом следует отметить, что насос 10 должен обеспечивать давление жидкости, достаточное для преодоления давления, поступающего в трещину 6 полезного ископаемого.

Повышение эффективности разрыва пластов в предлагаемом способе достигается технической реализацией выявленных особенностей взаимодействия породного массива и внедряющегося в него пластичного вещества.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для повышения продуктивности скважин при добыче воды, нефти, газа. Обеспечивает повышение эффективности способа за счет управления процессом разрыва и формирования сплошной трещины с большим раскрытием и равномерным заполнением закрепляющего материала. Сущность изобретения: способ включает создание через скважину трещины и подачу в трещину закрепляющего материала. Согласно изобретению закрепляющий материал в скважину подают в смеси с пластичным веществом. Трещину создают заданных размеров, с границей разрыва, не выходящей за забой скважины, вытеснением из скважины в пласт смеси определенного объема. После этого в скважину подают трубу, герметизируют скважину на участке нахождения смеси в трещине. В зазор между трубой и стенками скважины нагнетают жидкость, с помощью которой вымывают из смеси пластичное вещество через зону между границами смеси и трещины и трубу. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ разрыва пласта, включающий создание через скважину трещины и подачу в трещину закрепляющего материала, отличающийся тем, что закрепляющий материал в скважину подают в смеси с пластичным веществом, а трещину создают заданных размеров, с границей разрыва, не выходящей за забой скважины, вытеснением из скважины в пласт смеси определенного объема, после чего в скважину подают трубу, герметизируют скважину на участке нахождения смеси в трещине, а в зазор между трубой и стенками скважины нагнетают жидкость, с помощью которой вымывают из смеси пластичное вещество через зону между границами смеси и трещины и трубу.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пластичного вещества используют смесь глины, воды и растворимой в воде соли.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что до подачи в скважину смеси закрепляющего материала и пластичного вещества в нее подают сыпучий материал.