СПОСОБ ПОДЗЕМНОЙ ОГНЕВОЙ РАЗРАБОТКИ ЗАЛЕЖИ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ Российский патент 2014 года по МПК E21B43/295 

Изобретение относится к области горнодобывающей промышленности, а именно к скважинным методам геотехнологии разработки месторождений горючих сланцев.

Известна технология подземной газификации углей [Крейнин Е.В. «Подземная газификация углей: основы теории и практики, инновации. - М., 2010. - 400 с.], в которой с помощью различных скважин (дутьевых и газоотводящих) угольный пласт на месте его залегания трансформируется в горючий газ. Однако эту технологию в традиционном виде нельзя применить для разработки залежи горючих сланцев.

Известно также техническое решение по подземной разработке горючих эстонских сланцев методом их подземной газификации с помощью серии вертикальных скважин [Питин Р.Н., Спориус А.Э., Фарберов И.Л. «Первый опыт бесшахтной подземной переработки горючих сланцев», Труды института горючих ископаемых, т. VII, М., 1957, с.44-60]. Однако это техническое решение было реализовано на глубине только 10 м и с помощью многочисленных коротких вертикальных скважин. Для предотвращения утечек парогазовой продукции продуктоотводящие скважины были оборудованы дымососами. Такая технология не применима для масштабной переработки глубокозалегающих горючих сланцев, прежде всего, из-за неизбежных экологических загрязнений и больших финансовых капитальных затрат на бурение большого количества вертикальных скважин, находящихся в зоне сдвижения вышележащего горного массива.

Наиболее близкими техническими решениями являются запатентованные способы огневого воздействия на пласты твердых горючих ископаемых [Патент № 2388790, 2010 г. и Патент № 2441980, 2012 г.]. Однако они не учитывают в достаточной мере особенностей термической возгонки горючих сланцев в условиях их глубокого залегания и последствия проявления горного давления.

Задачей данного изобретения является создание промышленной технологии, учитывающей все особенности термической переработки горючих сланцев, при минимальных затратах на сооружение подземного генератора продуктов разложения сланцевой массы.

Поставленная задача решается и технологический результат достигается тем, что в известном способе термической переработки горючих сланцев, заключающемся в бурении на залежь горючих сланцев серии скважин различного назначения, создании в ней очага горения, нагнетании через отдельные скважины окислителя, преимущественно воздуха, и отводе через другие продуктотводящие скважины парогазовой смеси, и, наконец, разделении последней в химическом комплексе на газовую и смоляную фракции, на залежь горючих сланцев бурят параллельные чередующиеся дутьевые и продуктоотводящие скажины, каждая из которых имеет породную, пройденную по породам с земной поверхности до сланцевой залежи, и сланцевую часть, пройденную по сланцам, преимущественно по подошвенному (нижнему) слою залежи, забои этих скважин пересекают поперечной сбоечной скважиной, пройденной по подошвенному слою залежи; при этом породные части всех этих скважин обсаживаю трубами и цементируют, а в сланцевые части опускают хвостовики на всю их длину, все дутьевые, продуктоотводящие и поперечную скважины соединяют в единую гидравлически связанную систему, а очаг горения сланца создают на забое специальной вертикальной розжиговой скважины и распространяют его от нее гидродинамическим способом по всем сланцевым буровым каналам согласно специальному технологическому регламенту: вертикальную розжиговую скважину бурят на торцевой забой поперечной скважины, в последнюю нагнетают воздушное дутье и перемещают очаг горения ему навстречу; при этом в поперечную скважину вместе с хвостовиком предварительно опускают специальное устройство для фиксации очага горения по длине сланцевой части и устанавливают зависимость скорости противоточного перемещения очага горения (w) от расхода (q) нагнетаемого воздушного дутья - w=f(q); после завершения огневой проработки сланцевой части поперечной скважины нагнетают воздушное дутье в первую продуктоотводящую скважину согласно зафиксированной на поперечной скважине зависимости w=f(q), после появления признаков (появление продуктов горения в отбираемой пробе) соединения первой дутьевой скважины с поперечным термически проработанным каналом в нее нагнетают воздушное дутье в умеренном количестве и перемещают противоточно очаг горения на требуемую длину согласно ранее зафиксированной зависимости w=f(q); после огневой проработки сланцевой части первой продуктоотводящей скважины ее переводят на режим отвода парогазовой смеси, а охлаждение последней до температуры ниже температуры кипения сланцевой смолы осуществляют на входе в обсаженную породную часть продуктоотводящей скважины; дутьевую скважину эксплуатируют в переменном гидродинамическом режиме (на умеренном расходе воздушного дутья 300-500 м/ч для перемещения очага горения навстречу дутью на заранее выбранное расстояние, а затем на рабочем расходе воздушного дутья 10-12 тыс. м³/ч для фиксации очага горения и термической обработки сланца между дутьевой и продуктоотводящей скважинами); после завершения термической обработки сланца между дутьевой и продуктоотводящей скважинами переходят на умеренный расход воздушного дутья и перемещают очаг горения на требуемое расстояние (10-15 м), а затем снова переходят на рабочий расход воздушного дутья и так, многократно меняя гидродинамический режим нагнетания воздушного дутья, термически отрабатывают все промышленные запасы горючего сланца между дутьевой и продуктоотводящей скважинами, при этом переход в нагнетании рабочего расхода воздушного дутья к умеренному его расходу, а следовательно, к новой точке подвода рабочего расхода воздуха определяют по количеству необходимого для термопереработки пласта сланца между дутьевой и соседними продуктоотводящими скважинами по формуле

Q_д=L·h·l·γ·B_г·ϑ_уд,

где Q_д - суммарное количество требуемого воздушного дутья, м³;

L - расстояние между продуктоотводящими скважинами, м;

h - мощность (высота) пласта сланца, м;

l - расстояние по пласту сланца (10-15 м);

γ - удельный вес сланца, т/м³;

B_г - удельный выход газа, м³/кг;

ϑ_уд - удельный расход воздуха на образование газа, м³/м³.

Сопоставительный анализ заявленного технического решения с аналогами и прототипом показывает, что предлагаемый способ в предложенной совокупности существенных признаков не известен из уровня техники и отвечает критерию «новизна».

При этом конкретные технические решения обеспечивают реальное воплощение подземной термической переработки сланцев на глубоких горизонтах с максимальным выходом жидких фракций, что придает заявляемому техническому решению "существенный технический результат".

Предложенный способ иллюстрируется принципиальным схемным решением, характеризующим его результативность.

На чертеже схематически в качестве примера представлен модуль подземного генератора продуктов термического разложения горючих сланцев на месте их естественного залегания (в плоскости пласта сланца). Расширение количества модулей по простиранию может быть многократно.

Рассмотрим основные этапы реализации предлагаемого способа скважинной термической переработки горючих сланцев.

На пласт горючего сланца бурят две продуктоотводящие скважины 1 и между ними одну дутьевую скважину 2. Каждая из этих скважин состоит из обсаженной 3, пройденной по породам с земной поверхности до сланцевого пласта, и необсаженной 4, пройденной по пласту сланца, преимущественно по нижней его пачке. На предполагаемом горизонте первоначального розжига бурится поперечная скважина, состоящая из обсаженной 5 и сланцевой 6 частей.

При размещении подземного генератора на глубинах 300 м и более, а также наличия в сланцевой залежи пропластков известняка и песчаника, под влиянием горного давления вполне реально их обрушение в буровые каналы. Поэтому сразу же после завершения бурения сланцевой их частей 4 и 6 предусматривается спуск в них хвостовиков из легкоплавкого материала (на чертеже показаны пунктиром вдоль буровых каналов 4 и 6).

Все пробуренные по пласту сланца скважины соединяют в единую гидравлически связанную систему либо в процессе навигационного бурения, либо методом гидравлического разрыва. В специальной вертикальной скважине 7 осуществляют розжиг сланца и, нагнетая в нее компрессорный воздух, выжигают часть сланца в пласте.

Продукты горения фильтруются по пласту, часть из них попадает в поперечную скважину и в крайнюю (ближайшую) продуктоотводящую скважину 1. По ним непрерывно отбирают пробу на химический анализ, после обнаружения в смеси CO₂ (и других продуктов горения сланца) в поперечную скважину начинают нагнетать в количестве 300-400 м³/ч воздушное дутье, а вертикальную скважину 7 переводят на режим газоотвода.

На этом режиме очаг горения будет перемещаться навстречу нагнетаемому воздуху с ожидаемой скоростью 2-3 м/ч. Для своевременной фиксации перемещения очага горения под колонну 5 поперечной скважины в нее предварительно опускают специальное устройство, фиксирующее подъем температуры (например, замыкание электрической цепи при температуре выше 200°C) и выполненное согласно патенту (№ 2236599, 2004 г.).

В процессе огневой проработки сланцевой части 6 поперечной скважины фиксируют зависимость скорости противоточного перемещения очага горения (w) от расхода воздушного дутья (q)-w=f(q) в диапазоне изменения q от 100 до 1000 м³/ч. Пользуясь этой зависимостью, прорабатываются сланцевые каналы 4 всех остальных продуктоотводящих скважин 1.

После огневой проработки сланцевого канала 6 и появления продуктов горения в крайней продуктоотводящей скважине 1 в нее начинают нагнетать воздух. При этом его количество выбирают согласно зафиксированной на поперечной скважине зависимости w=f(q). Ожидаемая скорость противоточного перемещения очага горения вдоль сланцевого канала 4 продуктоотводящей скважины 1 равна 1-2 м/ч, что будет соответствовать расходу воздушного дутья, выбранному в диапазоне 300-1000 м³/ч.

Особый режим эксплуатации организуют на дутьевой скважине 2. Вместо многочисленных вертикальных скважин, предусмотренных в прототипе (патент № 2388790, 2010 г.) для нагнетания воздушного дутья по мере огневой переработки сланца между ней и продуктоотводящими скважинами 1, бурится одна дутьевая скважина. При этом после соединения ее с проработанным сланцевым каналом поперечной скважины 6 организуют на ней особый (гидродинамический) технологический режим.

Процесс термической переработки сланца осуществляют на расходе воздуха 10-12 тыс. м³/ч. После отработки 10-15-метровой полосы между дутьевой и продуктоотводящей скважинами снижают расход воздуха до 300-400 м³/ч, что вызывает перемещение воспламененной зоны навстречу воздуху. Желательная скорость противоточного перемещения очага горения 1-2 м/ч, что регулируют по ранее определенной зависимости w=f(q).

Так, переходя от рабочего расхода воздуха 10-12 тыс. м³/ч к кратковременному снижению его количества до 300 м³/ч, перемещают воспламененную сланцевую поверхность на заданные 10-15 м по направлению к породной части дутьевой скважины 2 (ожидаемое время противоточного перемещения очага горения 5-10 ч).

Изменяя периодически таким образом гидродинамический режим на дутьевой скважине, переносим воспламененную зону в сланцевой залежи на заданные 10-15 м (точки 8 на чертеже), постепенно термически перерабатываем все запасы между дутьевыми 2 и продуктоотводящими 1 скважинами. Отработанные запасы сланца на чертеже условно показаны пунктирными линиями.

Остальные дутьевые 2 и продуктоотводящие 1 скважины промышленного генератора вводятся в эксплуатации аналогично рассмотренным выше скважинам модуля, представленного на чертеже.

Характерной особенностью рассмотренного технологического процесса является активное газообразование в непосредственной окислительной зоне и далее обогащение низкокалорийного газа (при температуре от 1200°C) продуктами термического разложения керогена сланцевой залежи (C₂₊) при движении парогазовой смеси вдоль реакционного канала подземного генератора.

В химическом поверхностном комплексе осуществляют улавливание, очистку и подготовку газовой и смоляной фракций к потреблению.

Заявляемый способ планируется осуществить при бесшахтной разработке поволжских горючих сланцев.

Изобретение относится к области горнодобывающей промышленности, а именно к скважинным методам геотехнологии разработки месторождений горючих сланцев. Обеспечивает повышение эффективности способа при минимальных затратах на его осуществление. Сущность изобретения: способ заключается в бурении на залежь горючих сланцев серии параллельных чередующихся дутьевых и продуктоотводящих скважин, каждая из которых имеет породную, пройденную по породам с земной поверхности до сланцевой залежи, и сланцевую часть, пройденную преимущественно по подошве залежи. Забои этих скважин пересекают поперечной сбоечной скважиной. При этом породные части этих скважин обсаживают трубами и цементируют. В сланцевые части всех скважин опускают хвостовики из легкоплавкого металла. В поперечную сбоечную скважину вместе с хвостовиком опускают устройство для фиксации очага горения по длине сланцевой части. Создают на забое вертикальной розжиговой скважины очаг горения и устанавливают зависимость скорости противоточного перемещения очага горения от расхода нагнетаемого воздушного дутья. После завершения огневой проработки сланцевой части поперечной сбоечной скважины нагнетают воздушное дутье в первую продуктоотводящую скважину согласно зависимости, зафиксированной ранее на поперечной сбоечной скважине. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ подземной огневой разработки залежи горючих сланцев, заключающийся в бурении на залежь горючих сланцев серии параллельных чередующихся дутьевых и продуктоотводящих скважин, каждая из которых имеет породную, пройденную по породам с земной поверхности до сланцевой залежи, и сланцевую часть, пройденную преимущественно по подошве залежи, забои этих скважин пересекают поперечной сбоечной скважиной, при этом породные части этих скважин обсаживают трубами и цементируют, отличающийся тем, что в сланцевые части всех скважин опускают хвостовики из легкоплавкого металла, при этом в поперечную сбоечную скважину вместе с хвостовиком опускают устройство для фиксации очага горения по длине сланцевой части; создают на забое вертикальной розжиговой скважины очаг горения и устанавливают зависимость скорости противоточного перемещения очага горения от расхода нагнетаемого воздушного дутья, а после завершения огневой проработки сланцевой части поперечной сбоечной скважины нагнетают воздушное дутье в первую продуктоотводящую скважину согласно зависимости, зафиксированной ранее на поперечной сбоечной скважине.

2. Способ подземной огневой разработки залежи горючих сланцев по п.1, отличающийся тем, что все дутьевые, продуктоотводящие и поперечную скважины соединяют в единую гидравлически связанную систему, а очаг горения сланца распространяют гидродинамическим способом по всем сланцевым буровым каналам.

3. Способ подземной огневой разработки залежи горючих сланцев по п.2, отличающийся тем, что после огневой проработки сланцевой части первой продуктоотводящей скважины ее переводят на режим отвода парогазовой смеси, а охлаждение последней до температуры ниже температуры кипения сланцевой смолы осуществляют на входе в обсаженную породную часть продуктоотводящей скважины.

4. Способ подземной огневой разработки залежи горючих сланцев по п.2, отличающийся тем, что дутьевую скважину эксплуатируют в переменном гидродинамическом режиме: на умеренном расходе воздушного дутья 300-500 м³/ч для перемещения очага горения навстречу дутью на заранее выбранное расстояние, а затем на рабочем расходе воздушного дутья 10000-12000 м³/ч для фиксации очага горения и термической обработки сланца между дутьевой и продуктоотводящей скважинами; после завершения термической обработки сланца между этими скважинами переходят на умеренный расход воздушного дутья и перемещают очаг горения на требуемое расстояние (10-15 м), а затем снова переходят на рабочий расход воздушного дутья и так, многократно меняя гидродинамический режим нагнетания воздушного дутья, термически отрабатывают все промышленные запасы горючего сланца между дутьевой и продуктоотводящей скважинами.

5. Способ подземной огневой разработки залежи горючих сланцев по п.4, отличающийся тем, что переход в нагнетании рабочего расхода воздушного дутья к умеренному его расходу, а следовательно, к новой точке подвода рабочего расхода воздуха определяют по количеству воздуха, необходимого для термопереработки пласта сланца между дутьевой и соседними продуктоотводящими скважинами.