Устройство для пульсирующего воздействия на жидкость, находящуюся в системе скважина - угольный пласт Российский патент 2019 года по МПК E21F7/00 

Устройство относится к области подземной добычи угля, а именно к дегазации и ослаблению угольных пластов предназначенных к подземной отработке и кроме того может быть использовано для добычи метана из низко проницаемых угольных пластов или из газоносных месторождений не разрабатываемых по иным причинам.

Метан представляет особую опасность во время подземной разработки месторождений полезных ископаемых, особенно при выделении в горные выработки, а также на угольных обогатительных и брикетных фабриках, на сортировочных установках, так как в смеси с воздухом образует взрывоопасные смеси. При этом метан широко используют как бытовое и промышленное топливо и как ценное сырье для химической промышленности.

Особенностью угольных пластов является, то, что при не значительной пористости они удерживают в несколько раз большее количество газа, чем пласты других горных пород. Кроме того метан образующийся в процессе углефикации находится в адсорбированном состоянии и для его выделения из массива требуется большая площадь свободных поверхностей. Наиболее подходящим способом для создания таких поверхностей внутри угольного пласта является его гидрорасчленение.

Гидрорасчленение угольных пластов, в отличие от пластов вязких горных пород, дает трещины ограниченной длинны. Однако в случае каменного угля сочетание высокого коэффициента Пуассона, низкого значения модуля Юнга и наличия кливажа приводят к формированию сложных систем трещин, что положительно сказывается на газоотделении. Но при этом эти же свойства угольных пластов приводят к тому, что при снижении давления внутри пласта происходит смыкание образованных трещин и газоотделение падает.

Однако, известно, что «импульсы давления, большего, чем давление разрыва горной породы, приводят к образованию и распространению трещин, которые расклиниваются обломочным материалом». («СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА», патент РФ 2203412, Опубликовано: 27.04.2003 Бюл. №12). Данное устройство рассматривается авторами в качестве аналога.

Таким образом, для решения проблемы смыкания образуемых в процессе гидрорасчленения трещин, возможно использовать пульсирующее воздействие на жидкость находящуюся внутри пласта угля, при котором мелкие фракции угля, образующиеся при его раскалывании, изменяют свое первоначальное положение друг относительно друга и препятствуют смыканию образованных в нем при гидрорасчленении тещин после снятия давления. Это позволит отказаться от использования химических реагентов и минеральных заполнителей, что положительно отражается на экологии и снижает стоимость процесса дегазации.

Одним из вариантов устройств для производства подобного воздействия на жидкость находящуюся в системе скважина-пласт после его гидрорасчленения является виброимпульсная установка, помещенная в скважину и соединенная посредством электрического кабеля с наземным источником электропитания, выполненная в виде полого цилиндрообразного корпуса, который перегородками разделен на герметичные отсеки и содержит в себе источник упругих колебаний высокой частоты, выполненный в виде излучающего ультразвукового преобразователя, так же дополнительно снабженная источником упругих колебаний низкой частоты, который создан, преимущественно, на базе электроимпульсного устройства ("СПОСОБ ДОБЫЧИ НЕФТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ", патент РФ №2392422, Опубликовано 20.06.2010., Бюл. №17). Данное устройство рассматривается авторами в качестве аналога.

Достоинством использования электротока для проведения пульсирующего воздействия на жидкость после проведения гидрорасчленения пласта является возможность регулировки частоты воздействия и простота конструкции устройства. Однако в случае пульсирующего воздействия на угольный пласт экспериментально было доказано, что оптимальным является пульсирующее воздействие с амплитудой от 10 до 40 мм (УДК 534:622.014:658.589 М.В. Павленко, А.В. Агарков, П.В. Горбунов "ВИБРАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЧЕРЕЗ СКВАЖИНУ С ДНЕВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ С ЦЕЛЬЮ УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ УГОЛЬНОГО МАССИВА", Проблемы разработки угольных шахт, М., 2001 г.), а в случае использования предлагаемого устройства это невозможно. Кроме того во время пульсирующего воздействия так же происходит дополнительное раскрытие трещин и их заполнение жидкостью, что приводит к понижению ее уровня в скважине и снижению давления в системе скважина - угольный пласт, что ведет к снижению эффективности процесса.

Известен способ гидроразрыва пласта, при котором закачку жидкости проводят через скважину, пробуренную с поверхности в пульсирующем режиме, а так же осуществляют посадку пакера над кровлей пласта ("СПОСОБ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА", патент РФ №2563901, опубликовано 27.09.2015. г., Бюл. №27). Данное устройство простое по конструкции и позволяет легко регулировать параметры воздействия на жидкость, заполняющую образуемые трещины подготовляемого к отработке пласта, но имеет те же недостатки, что и предыдущее устройство.

Так же надо отметить, что максимальное число раскрытых древовидных трещин и их протяженность достигается не при пульсирующем воздействии, а при приложении к закачиваемой в пласт жидкости нагрузки превышающей пороговое значения начальных напряжений в пласте. Поэтому процесс собственно гидрорасчленения и процесс пульсирующего воздействия на пласт целесообразно разделить во времени. Особенно это актуально для угольных пластов имеющих низкую проницаемость и высокую газоносность, так как иначе зона воздействия скважины на пласт будет незначительна. Данное техническое решение авторы так же рассматривают в качестве аналога.

Известна так же "Вибрационная установка" описанная в работе Павленко М.В. (УДК:622.272.63, Павленко М.В. "Извлечение метана из угольных пластов с использованием вибрационного воздействия", Издательство МГГУ, М, 2004 г., стр. 106-107) и состоящая из несущей платформы с установленными на ней электродвигателем, редуктором с изменяемым числом оборотов, двумя дисбалансами, вибрирующей платформой соединенной с телескопической поршневой штангой, связанной с гидравлическим поршнем снабженным прорезиненными манжетами кругового вращения а так же клапанным устройством. Кроме того установка оборудована шлангами подвода жидкости и емкостью с жидкостью для подпитки скважины, на которую осуществляется пульсирующее воздействие.

Наличие подвода жидкости во время проведения пульсирующего воздействия позволяет исключить возможность преждевременного сброса давления в системе скважина-пласт, а наличие в составе устройства телескопической тяги и дисбалансов позволяют регулировать амплитуду колебаний.

Недостатком устройства является наличие большого количества движущихся частей и динамических нагрузок на элементы конструкции при его работе. Так же к его недостаткам можно отнести невозможность регулировки амплитуды колебаний в процессе проведения пульсирующего воздействия и необходимости прерывать процесс для изменения амплитуды движения поршня. Учитывая, то, что наилучший результат раскрытия трещин, определяемый на основании количества жидкости подаваемой в систему скважина-пласт достигается в случае, когда амплитуда движения поршня в начале процесса максимальна, а в конце процесса пульсирующего воздействия снижается, то возможность ее регулировки без остановки процесса является важным моментом и способствует сокращению времени пульсирующего воздействия на жидкость в системе скважина-пласт без ущерба для получения требуемого результата.

Данное устройство рассматривается авторами в качестве прототипа.

Технический результат предлагаемого устройства повышение надежности конструкции и возможность поддержания оптимальных параметров пульсирующего воздействия на жидкость в системе скважина-пласт во время его проведения.

Технический результат достигается путем того, что на несущую платформу помещают электродвигатель с редуктором, подключают трубопровод для подачи жидкости с односторонним клапаном и насос высокого давления, в устье скважины устанавливают муфту, переходной фланец, планшайбу с уплотнительными кольцами с пропущенными через них поршневой штангой имеющей на конце гидравлический поршень с прорезиненными манжетами кругового вращения, а так же за счет того, что поршневая штанга на конце снабжена вращающемся роликом, при чем для передачи движения от вала редуктора к поршневой штанге используется эксцентрик в виде усеченного конуса, при этом вал на котором расположен эксцентрик и вал редуктора соединены при помощи шлицевого соединения с возможностью перемещения в продольном направлении друг относительно друга, при чем вал эксцентрика и вал редуктора соосно закреплены на жестко связанных между собой опорах установленных так, ось вращения эксцентрика и ось движения поршневой штанги пересекались под прямым углом, а эксцентрик контактировал с роликом на конце поршневой штанги.

Кроме того технический результат достигается за счет того что, что односторонний клапан подсоединен к штуцеру расположенному на обсадной трубе скважины ниже точки максимального опускания гидравлического поршня, но выше уровня поверхности с которой пробурена данная скважина.

Конструкция предлагаемого устройства и принцип его работы поясняются рисунком, где на фиг. 1 представлена, основная часть предлагаемого устройства.

Устройство состоит из несущей платформы на которой устанавливают редуктор и насос высокого давления (на Фиг. 1 не показаны). Несущую платформу устанавливают непосредственно рядом с пробуренной скважиной 1, где предполагается осуществлять пульсирующее воздействие на жидкость 2 находящуюся в системе скважина-пласт. В верхней обсадной трубе скважины 1 выше уровня поверхности 3 с которого была пробурена данная скважина 1 устанавливают штуцер 4 который соединяют с трубопроводом 5 для подачи жидкости в систему скважина-пласт с насосом высокого давления (на Фиг. 1 не показан) и который в свою очередь оборудован односторонним клапаном 6. Конструкция клапана 6 значения не имеет, но выбирается из расчета способности выдерживать давление необходимое для гидрорасчленения угольного пласта.

В состав устройства так же входят муфта 7 которая закрепляется на устье скважины. Для этого предпочтительно использование резьбового соединения с уплотнительной смазкой, например Р 402. Так же в состав устройства входит переходной фланец 8, планшайба 9 для центровки поршневой штанги 10 и уплотнительные кольца 11. Фланец 8, планшайба 9 и уплотнительные кольца 11 соединены с муфтой 7 при помощи болтов 12. Возможно использование стандартных изделий применяемых в промышленности и выпускаемых серийно, что снижает расходы на изготовление устройства.

Поршневая штанга 10 входящая в состав устройства проходит через отверстия во фланце 8 и планшайбе 9 и фиксируется уплотнительными кольцами 11. Нижний конец поршневой штанги 10 оборудован гидравлическим поршнем 13 с прорезиненными манжетами кругового вращения, а на ее верхнем конце установлен ролик 14.

Входящий в состав устройства эксцентрик 15 в виде усеченного конуса закреплен на валу 16 который, в свою очередь, соосно соединен с валом редуктора 17 посредством шлицевого соединения. Оба вала могут перемещаться друг относительно друга. Механизм их перемещения может быть любой, но иметь возможность фиксации положения вала 16 в продольном направлении во избежание его самопроизвольного перемещения относительно вала 17 (на Фиг. 1 не показан).

Валы 16 и 17 посредством подшипников 18 установлены на опоры 19, которые жестко связаны между собой стяжками 20 и установлены относительно устья скважины 1 так, что эксцентрик 15 контактирует с роликом 14. Для возможности регулировки высоты установки валов 16 и 17 могут быть использованы различные дополнительные приспособления, закрепляемые на опорах 19 (на Фиг. 1 не показаны).

Устройство работает следующим образом.

После того как через скважину 1 было произведено гидрорасчленение угольного пласта эксцентрик 15 перемещают в положение, где его эксцентриситет соответствует заданному значению начальной амплитуды 21 пульсирующего воздействия на жидкость в системе скважина-пласт, при этом нижнее положение гидравлического поршня 13 всегда выше, чем расположение штуцера 4 через который происходит долив жидкости 2.

После этого при необходимости производят, долив жидкости 3 в скважину 1, а для обеспечения прижима ролика 14 к эксцентрику 15 давление в скважине 1 постоянно поддерживают выше атмосферного, при помощи насоса высокого давления (на Фиг. 1 не показан) и одностороннего клапана 6.

Через заданное время после начала вращения эксцентрика 15 механизм фиксации вала 16 (на Фиг. 1 не показан) отключают и эксцентрик 15 под воздействием ролика 14 установленного на поршневой штанге 10 перемещаться в сторону уменьшения эксцентриситета. По достижению заданной амплитуды движения эксцентрика 15 механизм фиксации снова блокирует перемещение вала 16. Эту операцию проделывают несколько раз не прерывая работы устройства в пока эксцентрик 15 не достигнет заданного положения 22 эксцентриситет которого обеспечивает конечную амплитуду движения поршня 13. Оптимальный шаг перемещения вала 16 и время работы устройства в каждом положении выбирается опытным путем на основании данных о поступлении жидкости в скважину через штуцер 4. После чего пульсирующее воздействие на жидкость в системе скважина-пласт прекращают или продолжают, если не закончено его расчетное время.

Таким образом, предложенное устройство позволяет повысить надежность конструкции и обеспечить поддержание оптимальных параметров пульсирующего воздействия на жидкость в системе скважина-пласт во время его проведения. Все признаки, характеризующие предлагаемое изобретение необходимы и достаточны для его осуществления и получения заявляемого технического результата.

Предлагаемое изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для дегазации угольных пластов с целью повышения безопасности работ в шахтах, а также для добычи метана из угольных пластов с последующим использованием его в промышленности. Конструкция предлагаемого устройства позволяет осуществлять и поддерживать оптимальные параметры пульсирующего воздействия на жидкость в системе скважина-пласт после его гидрорасчленения. Предложено устройство для пульсирующего воздействия на жидкость находящуюся в системе скважина-пласт, включающее несущую платформу с электродвигателем, редуктором, трубопровод для подачи жидкости с односторонним клапаном и насос высокого давления, цилиндрическую муфту, переходной фланец, планшайбу с уплотнительными кольцами с пропущенной через неё поршневой штангой, имеющей на конце гидравлический поршень с прорезиненными манжетами кругового вращения. При этом поршневая штанга на конце снабжена вращающимся роликом. Передача движения от вала редуктора к поршневой штанге осуществляется эксцентриком в виде усеченного конуса, при этом вал, на котором расположен эксцентрик, и вал редуктора соединены при помощи шлицевого соединения с возможностью перемещения в продольном направлении относительно друг друга, причем вал эксцентрика и вал редуктора соосно закреплены на жестко связанных между собой опорах, установленных так, чтобы ось вращения эксцентрика и ось движения поршневой штанги пересекались под прямым углом, а эксцентрик контактировал с роликом на конце поршневой штанги. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для пульсирующего воздействия на жидкость, находящуюся в системе скважина-пласт, включающее несущую платформу с электродвигателем, редуктором, трубопровод для подачи жидкости с односторонним клапаном и насос высокого давления, цилиндрическую муфту, переходной фланец, планшайбу с уплотнительными кольцами с пропущенной через неё поршневой штангой, имеющей на конце гидравлический поршень с прорезиненными манжетами кругового вращения, отличающееся тем, что поршневая штанга на конце снабжена вращающемся роликом, передача движения от вала редуктора к поршневой штанге осуществляется эксцентриком в виде усеченного конуса, при этом вал, на котором расположен эксцентрик, и вал редуктора соединены при помощи шлицевого соединения с возможностью перемещения в продольном направлении относительно друг друга, причем вал эксцентрика и вал редуктора соосно закреплены на жестко связанных между собой опорах, установленных так, чтобы ось вращения эксцентрика и ось движения поршневой штанги пересекались под прямым углом, а эксцентрик контактировал с роликом на конце поршневой штанги.

2. Устройство по п. 1. отличающееся тем, что односторонний клапан подсоединен к штуцеру, расположенному на обсадной трубе скважины ниже точки максимального опускания гидравлического поршня, но выше уровня поверхности, с которой пробурена данная скважина.