СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ С ЦЕНТРИРОВАНИЕМ БУРОВОГО СТАВА, ОБРАБОТКИ ГОРНЫХ ПОРОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА Российский патент 2011 года по МПК E21F7/00 E21C37/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении шпуров, скважин, дегазации горных пород, их разупрочнения с помощью разупрочняющих реагентов.

Известные широко распространенные способы дегазации с целью предотвращения внезапных выбросов пород, угля, газа (увлажнения, гидроотжим, опережающие скважины, торпедирование, сотрясательное взрывание и др.) требуют для их использования бурения строго направленных скважин. Способы дегазации без применения взрывчатых веществ требуют бурения скважин увеличенного диаметра. Для выполнения процесса дегазации с попутным извлечением метана, как правило, используют опережающие скважины и устья их иногда герметизируют, а рекомендуемый их диаметр должен составлять 80…250 мм, но при этом наибольшая частота выбросов происходит при бурении скважин диаметром более 60 мм, а это основной недостаток существующих способов дегазации (Ю.Н.Малышев, А.Т.Айруни, Ю.Л.Худин, М.И.Большанский. Методы прогноза и способы предотвращения выбросов газа, угля, горных пород. М.: Недра, стр.276, 279).

Известен способ обработки горных пород, полезного ископаемого увеличенной их площади с помощью поочередной подачи в скважины, пробуренные в вымоечной полосе (камере) разупрочняющего реагента с герметизацией устья скважины (к.т.н. А.А.Кузнецов, к.т.н. Ю.М.Карташов. Сборник. Научные сообщения. Выпуск №303, института горного дела им. А.А.Скочинского, стр.103…105).

Недостатком такого способа является излишний расход разупрочняющего реагента и достаточно некачественная обработка пласта горной породы, полезного ископаемого ввиду наличия, как правило, в протяженной скважине по ее длине различных трещин, до локальных и иногда даже пустот. При этом при обработке горных пород, полезного ископаемого (в известном способе обрабатывался уголь) невозможно проводить шаговую дегазацию газоносных горных пород, полезного ископаемого.

Известно устройство для бурения дегазационных скважин, содержащее раздельноприводную колонну труба в трубе с эвакуацией продуктов разрушения потоком промывочной жидкости через полость внутренних труб. В буровой установке независимое вращение достигается за счет установки колонны наружных труб на подшипниковые опоры труб внутренней колонны. Считается, что независимое вращение наружных и внутренних труб со связью последних с породоразрушающим инструментом позволит осуществить бурение в неустойчивых по характеристикам разрушаемости грунтах и породах с сохранением прямолинейности и направленности буровых скважин (Сборник. Научные сообщения. Выпуск №322/2002. Техника и технология открытой и подземной разработки месторождений. ННЦ ГП-ИГД им. А.А.Скочинского, стр.116…117).

Недостатком известного устройства является то, что отдельное дополнительное усилие для вращения наружных труб может достигать значительных затрат энергии, поскольку при бурении длинных скважин в предполагаемых неустойчивых грунтах и породах возможны прихваты наружных труб. Кроме этого с известным устройством невозможно вести шаговую дегазацию и даже в этом устройстве не предусмотрена дегазация во время бурения с герметизацией устья скважины.

Известен способ гидравлической обработки угольного пласта, при котором бурят участки с заданной длиной скважины, а закачку в угольный пласт жидкости осуществляют после обуревания каждого отдельного участка (аналог). Этот способ дегазации с использованием гидравлической обработки угольного пласта включает много трудоемких операций, а именно бурение на заданную глубину скважины, тщательную промывку ее участка, поднятие бурового става и вместо буровой коронки навинчивание герметизатора, подачу его к забою скважины с помощью буровых штанг, а затем подсоединение к ним высоконапорного насоса для распора герметизатора с целью герметизации участка скважины, и после этого подают расчетное количество жидкости при заданном высоком давлении, а эти процессы повторяются при обработке каждого участка скважины, имея в виду, что при значительной ее длине выполнение вышеизложенных процессов усложняется (авторское свидетельство SU №1467214 A1, 23.03.1989 г.).

Известный способ кроме вышеперечисленного имеет еще существенный недостаток, так как при таком способе гидравлической обработки не извлекается газ, а дегазация выбросоопасных пластов угля достигается за счет выталкивания газа в пласт по имеющимся в нем трещинам и вновь образуемым с помощью давления и проникновения жидкости, а также частичного растворения в ней газа, например метана.

Цель изобретения состоит в объединении процессов в общей технологический цикл, предлагаемых новых эффективных и безопасных способов и средств направленного бурения, шагового способа дегазации горных пород, полезного ископаемого, их позонной обработки разупрочняющими реагентами при извлечении бурового става и выполнение последующей дегазации с использованием вытеснения газа при подаче в каждую соседнюю скважину разупрочняющего реагента до последующей обработки ими большой площади пласта горных пород, полезного ископаемого.

После физико-химической обработки (ФХО) разупрочняющим реагентом всех скважин устья их с необходимой длиной герметизируют с помощью уплотнителей забойной штанги и продолжают дегазацию горных пород, полезного ископаемого до начала его выемки.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе буровой став центрируют с поджатием боковых стенок шпуров, скважин и одновременно с бурением ведут шаговую дегазацию, а в местах повышенного газовыделения из пласта бурение приостанавливают и ведут дегазацию этого участка шпура или скважины до приближения состояния к естественной газоотдаче пласта горных пород, а при извлечении бурового става выполняют позонную обработку, и когда обрабатывается одновременно значительная площадь его с помощью нескольких скважин, то из соседних, используя вытеснение газа разупрочняющим реагентом, ведут дегазацию, а по окончании их также обрабатывают и ведут эту дегазацию с извлечением газа со всех скважин до начала выемки обработанного пласта горных пород.

Для реализации способа предлагается устройство, включающее буровой став с внутренней и наружной трубой, а отдельные штанги на наружной трубе содержат поворотные и продольно передвижные с необходимым шагом уплотнители за счет соединения их со своими втулками со связью их с пружинами и опорным кольцом, располагаемыми также на наружной трубе. Сами уплотнители содержат пазы на внутренней трубе и отверстия на наружной трубе для подачи жидкости или газа при их распоре и отдельные пазы с отверстиями при снятии его, а также отдельные пазы с отверстиями для подвода промывочной жидкости к буровой коронке, жидкости или газа к турбобуру (при его наличии) и отдельный паз или пазы с отверстиями для дегазации и позонной подачи разупрочняющего реагента. Располагаемый паз с отверстиями между уплотнителями находится на расстоянии шага передвижки (а), выполняемой во время снятия с уплотнителей распора их в боковые стенки скважины, а все отверстия на наружной трубе согласуются с учетом шага передвижки (а) с выполненными отверстиями на своих передвижных втулках. Буровой став имеет фиксированные соединения наращиваемых со шпинделем штанг и между собой с помощью различного размера шлицов, связанных с пазами внутренней трубы, а с учетом горно-геологических условий и длины скважин буровой став может включать несколько отдельных штанг с уплотнителями для шаговой дегазации в отдельной скважине и с использованием вытеснения газа из соседних скважин разупрочняющим реагентом, где уже начато разупрочнение горных пород большой площади.

Затем в дегазированные скважины также подается позонно разупрочняющий реагент и после обработки им всех скважин с герметизацией их устья забойной частью буровой штанги с уплотнителями продолжают дегазацию с извлечением газа до начала выемки, предусмотренной большой площади полосы (например, камеры) горной породы.

На Фиг.1 показана часть буровой колонны, располагаемая у забоя скважины в момент бурения с поджатием ее боковых стенок с помощью уплотнителей.

На Фиг.2 показана часть буровой колонны во время сброса давления жидкости или газа с уплотнителей.

На Фиг.3 сечение по А-А на Фиг.1 по месту соединения отдельных штанг с концевыми шлицами.

На Фиг.4 - сечение по Б-Б на Фиг.2.

На Фиг.5 показана схема шаговой дегазации с использованием вытеснения газа из пласта горных пород разупрочняющим реагентом из соседних обрабатываемых им скважин.

На Фиг.6 показана схема извлечения газа после позонной обработки разупрочняющим реагентом всех скважин большой площади (камеры) горных пород.

Устройство содержит несколько (не менее двух) резиновых (или др.) распорных уплотнителей 1 и 2, и одним концом уплотнитель 1 закреплен с подвижной втулкой 3, а другой конец и один конец уплотнителя 2 скреплены общей подвижной втулкой 4, и второй конец уплотнителя 2 скреплен с подвижной втулкой 5. Уплотнители 1 и 2 с их подвижными втулками 3, 4, 5 насажены на наружную трубу 6, снабженную ограничителями хода уплотнителей 1 и 2 пружинами 7 и 8, связанными упорами 9 и 10 и подвижными втулками 3 и 4. В трубе 6 под уплотнителями 1 и 2 подведены отверстия 11 и 12, которые связаны с находящимся на наружной поверхности внутренней трубы 13 пазом 14, через который подводится подача рабочей жидкости или газа к отверстиям 11 и 12 для распора уплотнителей 1 и 2 в боковые стенки скважины 15. Промывочная жидкость или разупрочняющий реагент через коронку подается в зону забоя скважины 15 по отдельно выполненному пазу 16 на трубе 13, и на ней может иметься дополнительный паз к турбобуру (при его наличии).

Для срабатывания сброса давления (Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.4) под уплотнителями после бурения на шаг передвижки (а) под уплотнитель 1 подведены на наружной трубе 6 отверстия 17 и 18, связанные между собой своим отдельным пазом 19, а сам сброс выполняется при выходе отверстия 17 в свободное пространство скважины 15 и совмещением отверстия 18 с выполненным отверстием 20 на втулке 3 и одновременным перекрытием ею отверстия 11. Аналогично для сброса давления с уплотнителя 2 имеются на наружной трубе 6 отверстия 21 и 22, связанные своим отдельным пазом 23, и для выхода отверстия 21 в свободное пространство скважины 15 на подвижной втулке 4 выполнено отверстие 24, а для выхода жидкости или газа из-под уплотнителя 2 совмещения с отверстием 22 имеется отверстие 25, выполненное на подвижной втулке 4, а в момент сброса давления ею перекрывается отверстие 12. Для шаговой дегазации при бурении скважины 15 между уплотнителями 1 и 2 на наружной трубе 6 имеется отверстие 26, связанное со своим пазом 27 с выходом их в свободное пространство скважины 15 посредством наличия на подвижной втулке 4 отверстия 28, которое постоянно открыто при бурении на каждый шаг передвижки (а).

Для позонной ФХО горных пород с помощью разупрочняющего реагента от существующего распределителя имеется на внутренней трубе 13 паз 27, выполнены отверстия 26 на наружной трубе 6 и отверстия 28 на подвижной втулке 4.

Фиксированное соединение шпинделя с буровым ставом и его штангами достигнуто за счет того, что концевые их части выполнены со шлицами 29 (различного размера), Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3, и они связаны с находящимися на наружной поверхности трубы 13 пазами 14, 16, 27.

Для использования вытеснения газа разупрочняющим реагентом позонно подаваемым в несколько скважин, например (Фиг.5) в скважину 30, то в соседних или в одной 31 размещен буровой став со штангами с уплотнителями 1 и 2 или с ними используют одну забойную штангу при шаговой дегазации одновременно с бурением.

При завершении извлечения газа после ФХО обработки разупрочняющим реагентом большой площади (например, отдельной камеры) горных пород (Фиг.6) в устьях скважин 30, 31 размещены с уплотнителями 1 и 2 забойных штанг (при необходимости снимают коронки), и на концевых их частях надеты специальные стаканы 32, имеющие связь внутри бурового става свободным пространством 33 скважин 30, 31 и связь с отверстием 27 между уплотнителями 1 и 2, и стакан соединен шлангом 34, например, с существующим вакуум-насосом 35, который имеет трубопровод 36 к потребителю.

Работу по осуществлению общего технологического цикла подготовки к эффективной и безопасной выемке горных пород начинают с процесса бурения буровым ставом, состоящим из наружных 6 и внутренних труб 13, и их фиксированно соединяют благодаря различного размера на их концах шлицам 29, получающим вращение и подачу от известных средств, применяемых в буровых станках, и при этом бурение скважины 15 выполняют с регулируемым подпором (зависит от давления и расхода жидкости или газа) в ее стенки уплотнителей 1 и 2 благодаря креплениям их с подвижными втулками 3, 4, 5, насаженными на наружную трубу 6 с ограничителями хода на ней упорами 9 и 10, связанными с пружинами 7 и 8 (сжимаемыми на шаг передвижки «а»), которые еще скреплены с подвижными втулками 3 и 4.

В момент подачи и вращения бурового става жидкость или газ подают под уплотнители 1 и 2 по выполненным на наружных поверхностях внутренних труб 13 пазам 14 и имеющим связь со шлицами 29 и далее от паза 14 через отверстия 11 и 12. Во время бурения промывочную жидкость по пазу 16 подают под коронку забоя скважины 15 и подпором в ее боковые стенки одновременно выполняют шаговую дегазацию между уплотнителями 1 и 2 с извлечением газа через отверстия 28 на подвижной втулке 4 далее по отверстию 26 и по пазу 27 (с помощью выбранного типа вакуум-насоса к потребителю).

После бурения скважины 15 и сжатия пружины 7 и 8 их подпорами 9 и 10 под уплотнителями 1 и 2 перекрываются отверстия 11 и 12 их подвижными втулками 3 и 4 и жидкость или газ из уплотнителя 1 поступает через отверстие 20 на подвижной втулке 3 к отверстию 18 на наружной трубе 6 и далее по общему пазу 19 поступает в отверстие 17, из которого выходит в свободное пространство скважины 15, и одновременно из-под уплотнителя 2 жидкость или газ по отверстию 25 на подвижной втулке 4 поступает в отверстие 22 и по пазу 23 к отверстию 21, а далее к отверстию 24, откуда жидкость или газ выходит также в свободное пространство скважины 15, и при сбросе давления или части его из-под уплотнителей 1 и 2 они вместе с подвижными втулками 3, 4, 5, отталкиваясь от упоров 9 и 10, с усилием сжатых пружин 7 и 8 перемещаются к коронке на шаг передвижки «а», и процесс бурения с шаговой дегазацией путем распора и его снятия продолжается до окончания бурения на требуемую длину скважины 15, и при этом из свободного пространства скважины 15 непрерывно откачивают по отверстию 28 газ, который далее поступает к отверстию 26 и по пазу 27 с помощью, например, вакуум-насоса к потребителю, затем прекращают шаговую дегазацию и подключают от распределителя подачу разупрочняющего реагента по пазу 27, а из него в отверстие 28, из которого разупрочняющий реагент поступает в свободное пространство скважины 15 с герметизацией каждой обрабатываемой зоны с известным расстоянием между ними не менее диаметра пропитки горных пород, полезного ископаемого, и при этом следует отметить, что при обработке каждой зоны расчетный расход разупрочняющего реагента следят по расходомеру, а по манометру давление и при резком падении его подачу прекращают (что характеризует о наличии локальных трещин или даже пустот), а при обработке каждой зоны извлекают буровой став и отсоединяют отдельные штанги с различных размеров шлицами 29 и отдельные штанги с дополнительными уплотнителями 1 и 2.

После выполнения бурения с шаговой дегазацией на требуемую длину скважины 15 и с учетом состояния газовыделения извлечения газа в зоне ее забоя между уплотнителями 1 и 2 прекращают, а затем в эту зону забоя от известного распределителя по пазу 27 и далее по отверстию 26 и 28 подают разупрочняющий реагент с расчетным его расходом, необходимым на обрабатываемую зону, а потом при снятии распора с уплотнителей 1 и 2 буровой став извлекают и так же обрабатывают каждую последующую зону скважины 15.

При подготовке к выемке с ФХО большой площади горных пород (например, камеры с двумя или более скважинами по мощности пласта, а также и по простиранию его) ведут согласованно по парам скважин, например 30 и 31, где в скважине 30 ведут ФХО, а в соседней 31 ведут шаговую дегазацию и используют дополнительно извлечение газа, который вытесняется давлением разупрочняющего реагента в скважине 30 к скважине 31, и по окончании ФХО, например, подготавливаемой к выемке камеры забойной штангой с уплотнителями 1 и 2 герметизируют устье скважин 30 и 31 (при необходимости с забойных штанг снимают коронки) и при этом к концевой штанге с уплотнителями 1 и 2 со шлицевым соединением 29 подсоединяют специальный стакан 32, имеющий связь с пазом 27 и свободным внутри бурового става пространством 33 забойных штанг, и далее откачиваемый газ по шлангу 34 от вакуум-насоса 35 поступает по трубопроводу 36 к потребителю.

При подготовке горных пород к выемке с объединением процессов в общий технологический цикл достигаются безопасность и надежность бурения благодаря изоляции с помощью уплотнителей каждого участка, на котором происходит выжимание газа при распоре в отдельных участках между уплотнителями, а затем при сбросе давления, и при этом возможно контролировать в пласте приближение к скоплению газа путем замера на каждом малом участке количества и давления поступающего между уплотнителями газа и осторожно откачивать сквозь толщу горных пород без выброса и давления пласта до естественного его газовыделения. Рекомендуемые диаметры скважин 80…250 мм могут быть уменьшены, так как объем трещин увеличивается не за счет площади поверхности скважин, а воздействия на отдельные участки поверхности их при распоре и снятии его, а при ФХО большой площади (например, камеры) используется вытеснение газа разупрочняющим реагентом, чтобы обеспечить безопасность при выемке и более полно извлечь газ из пласта.

Дополнительно извлечение газа предлагаемым способом может быть достигнуто при использовании после ФХО всех скважин и времени выдержки (при существующих способах 2…3 суток выполняют выдержку без извлечения газа), что кроме полноты извлечения его повысит безопасность при подготовке к выемке пласта.

Надежное поджатие уплотнителями вблизи забоя скважины с удержанием коронки по заданному направлению бурения обеспечит ресурс штанг, так как уменьшаются динамические нагрузки, вызванные биением в существующих буровых станках, зазорах между буровым ставом и стенками скважин, приводящих к искривлению бурового става из-за крутящего момента и сопротивления резанью самой коронки.

Учитывая потенциальные возможности предлагаемого способа и устройства для его осуществления, предлагается использовать при бурении эксплуатационных и разведочных скважин (на нефть, газ и др. полезных ископаемых) и при подготовке к выемке (на удароопасных кровлях полезного ископаемого), включая выбросоопасные и высокогазоопасные пласты различной мощности и угла залегания.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении шпуров, скважин, дегазации горных пород, их разупрочнения с помощью разупрочняющих реагентов. Обеспечивает безопасность и надежность при бурении, извлечении газа из пласта и при подготовке к выемке пласта. Способ дегазации и обработки горных пород включает бурение шпуров, скважин, их шаговую дегазацию в процессе бурения, позонную обработку горных пород и дегазацию. При бурении осуществляется шаговая дегазация с одновременным центрированием бурового става, и только в местах зафиксированного скопления газа бурение приостанавливают для снижения газоотдачи пласта горной породы до предела естественной скорости газовыделения. Устройство для дегазации и обработки горных пород включает буровой став с внутренней и наружной колоннами труб с образованием между ними каналов. На наружной трубе установлены распорные уплотнители. Устройство может содержать несколько отдельных буровых штанг с уплотнителями для шаговой дегазации и разупрочнения горных пород. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ дегазации и обработки горных пород, включающий бурение шпуров, скважин, позонную обработку горных пород разупрочняющим агентом с использованием распорных уплотнителей и дегазацию, отличающийся тем, что буровой став снабжают распорными уплотнителями с возможностью их взаимодействия со стенками шпура, скважины в процессе бурения, при этом одновременно с процессом бурения осуществляют шаговую дегазацию горных пород с одновременным центрированием бурового става, и только в местах зафиксированного скопления газа бурение приостанавливают для снижения газоотдачи пласта горной породы до предела естественной скорости газовыделения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при шаговой дегазации, обработке и разупрочнении горных пород большой полосы пласта с потребностью нескольких шпуров или скважин чередуют обработку и дегазацию путем подачи в одну или несколько скважин разупрочняющего реагента, а в соседних - используя его давление для вытеснения газа ведут дегазацию и извлечение газа из пласта горной породы до начала его обработки и после этого из всех скважин с размещением в их устьях забойных штанг с уплотнителями до начала выемки обработанной разупрочняющими агентами полосы горных пород или камеры в горной породе продолжают извлечение газа.

3. Устройство для дегазации и обработки горных пород, включающее буровой став, связанные с буровым ставом распорные уплотнители, установленные с возможностью подачи в полость уплотнителей рабочей жидкости или газа для их распора в стенки скважины или шпура с целью обработки горной породы разупрочняющими агентами, отличающееся тем, что буровой став выполнен с внутренней и наружной колоннами труб с образованием между ними каналов для подвода рабочей жидкости или газа к распорным уплотнителям и буровой коронке или турбобуру, канала для подачи разупрочняющего агента и канала для отвода газа, при этом распорные уплотнители размещены на призабойной части бурового става, двойные трубы которого связаны с вышерасположенным ставом двойных буровых труб посредством шлицевого соединения, при этом распорные уплотнители посредством подвижных втулок установлены с возможностью поворота на наружной трубе и сообщения их полостей с каналом подвода рабочей жидкости или газа посредством отверстий, выполненных в стенке наружной трубы, причем одни из концов распорных уплотнителей закреплены каждый на своей подвижной втулке, а другие их концы закреплены на общей, подпружиненной относительно ограничителей перемещения подвижной втулке, при этом на общей подвижной втулке и подвижной втулке, связанной с концом нижнего распорного уплотнителя, также выполнены отверстия с возможностью сообщения, соответственно, полостей распорных уплотнителей, а также каналов для подачи реагента с затрубным пространством посредством дополнительных отверстий в наружной трубе и отдельных пазов на наружной стенке внутренней трубы, причем в момент подачи рабочей жидкости или газа в полости распорных уплотнителей общая подпружиненная втулка перекрывает вышеупомянутые отверстия и сообщает посредством выполненного в ней отверстия и паза на наружной поверхности внутренней трубы свободное пространство скважины между распорными уплотнителями с каналом отвода газа при шаговой дегазации.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что с учетом горно-геологических условий и длины скважины оно включает несколько отдельных двойных труб с уплотнителями для шаговой дегазации и разупрочнения горных пород.