СПОСОБ ГИДРОРАЗРЫВА УГОЛЬНОГО ПЛАСТА И СКВАЖИННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК E21B43/26 E21C37/06 E21C45/04 

Изобретение относится к горному делу, в частности к извлечению метана из угольных пластов, и может быть использовано как при добыче метана из высокогазоносных угольных пластов, так и при дегазации угольных пластов с проведением поинтервального гидроразрыва угольного пласта с применением расклинивающего агента - пропанта.

Известен способ гидравлического разрыва угольного пласта, включающий бурение в пласте скважины, герметизацию интервала разрыва скважины, нагнетание в интервал разрыва воды под давлением и образование в пласте трещины. При этом до герметизации интервала разрыва в нем размещают сухой расклинивающий агент [Способ гидравлического разрыва угольного пласта / Пат. 2730689 Российской Федерации, опубл. 25.08.2020, бюл. №24] (аналог способа). Недостатками этого способа является сложность размещения расклинивающего агента в интервале разрыва еще до установки и фиксации устройства для осуществления гидроразрыва, а также сложность размещения самого устройства гидроразрыва в скважине, уже частично заполненной сухим расклинивающим агентом.

Известен способ гидравлического разрыва угольного пласта, принятый в качестве прототипа, включающий бурение в пласте скважины, нарезание инициирующей щели на ее боковой поверхности, герметизацию интервала разрыва скважины, нагнетание в интервал разрыва воды под давлением и образование в породе трещины. При этом частицы угля, образуемые при нарезании инициирующей щели, удерживают в интервале разрыва скважины, смешивают с нагнетаемой водой и полученную суспензию закачивают в трещину [Способ гидравлического разрыва угольного пласта / Пат. 2703021 Российской Федерации, опубл. 1510 2019, бюл. №29] (прототип способа).

Недостатками прототипа способа являются:

- сложность позиционирования устройства гидроразрыва в скважине, частично заполненной буровой мелочью;

- после осуществлении гидроразрыва и снятия давления с герметизатора в зоне образовавшейся щели сохраняется относительно высокое остаточное давление воды, которое способствует нерегламентированному выносу устройства из скважины, в результате которого возможно как повреждение самого устройства для осуществления гидроразрыва, так и стенок скважины, т.е. возникновение аварийной ситуации.

Известно устройство для осуществления гидроразрыва горных пород в скважине, включающее корпус с каналом, установленные на нем упругие уплотнительные элементы, между которыми размещена поршневая пара с уплотнительными кольцами, и стопорящую гайку. Рабочая камера поршневой пары сообщена с каналом, а в ее цилиндре выполнено радиальное отверстие с возможностью сообщения с рабочей камерой поршневой пары при герметизации скважины упругими уплотнительными элементами и дополнительного сжатия этих элементов при давлении гидроразрыва с самозапиранием изолированного участка скважины [Устройство для гидроразрыва пород в скважине / Пат. 2268359 Российской Федерации, опубл. 20.01.2006, бюл. №2] (аналог устройства). Недостатком устройства является то, что и поршневая пара и упругие уплотнительные элементы размещены на корпусе, имеющем значительную длину, что, в свою очередь, требует не только прямолинейности скважины, но и выдержанности ее стенок. При бурении скважин, например, в угольном массиве это условие не всегда соблюдается из-за наличия в пласте твердых включений и высокой степени трещиноватости угля.

Известно устройство для осуществления гидроразрыва горных пород, принятое в качестве прототипа, содержащее корпус, выполненный в виде цилиндра с радиальными отверстиями в стенке для прохода рабочей жидкости, шток с осевым сквозным отверстием, установленный в цилиндре и снабженный поршнем, и два герметизатора с наконечниками, установленные соосно с корпусом, один герметизатор тупиковый, другой - проходной. [Скважинное устройство для осуществления гидроразрыва горных пород. Пат. 208210 Российской Федерации, опубл. 08.12.2021, бюл. №34] (прототип устройства).

Недостатками прототипа являются:

- повышенный расход пропанта, так как используется только один поток рабочей жидкости (воды) как для герметизации скважины, так и для осуществления гидроразрыва угольного пласта;

- одновременность срабатывания обоих герметизаторов, из-за чего после осуществления гидроразрыва угольного пласта и снятия давления с элементов устройства, в частности обоих герметизаторов, возможен выброс устройства из скважины за счет высокого остаточного давления рабочей жидкости в зоне осуществления гироразрыва;

- повышение давления воды в герметизаторе в период его фиксации в скважине ведет к возникновению осевых усилий, зачастую вызывающих нарушение целостности заделки герметизатора, приводящей к невозможности произвести гидроразрыв пород.

Перечисленные недостатки снижают эффективность и надежность осуществления гидроразрыва.

Цель изобретения - повышение эффективности и надежности осуществления гидроразрыва угольного пласта путем осуществления гидроразрыва рабочей жидкостью высокого давления, содержащей расклинивающий агент (пропант), а также раздельного включения и выключения элементов оборудования (герметизаторов) за счет разделения потоков рабочей жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что в способе гидроразрыва угольного пласта, включающем бурение пластовой скважины, размещение в скважине устройства для осуществления гидроразрыва, заполнение герметизаторов устройства рабочей жидкостью до фиксации в скважине, выполнение гидроразрыва пласта в пространстве между герметизаторами с образованием искусственных полостей и расширением естественных трещин, введение во вновь образовавшиеся искусственные полости и расширенные естественные трещины расклинивающего агента - пропанта, в соответствии с техническим решением при заполнении устройства рабочей жидкостью каждый герметизатор сначала сжимают в осевом направлении, затем фиксируют в скважине, гидроразрыв осуществляют рабочей жидкостью с расклинивающим агентом, после осуществления гидроразрыва выравнивают давление в расширенных трещинах и образовавшихся искусственных полостях и скважине отключением давления рабочей жидкости сначала в герметизаторе со стороны устья скважины, а после снятия распорного усилия в нем - в герметизаторе со стороны забоя скважины.

Поставленная цель достигается также тем, что в скважинном устройстве для осуществления гидроразрыва угольного пласта, содержащем корпус, выполненный в виде цилиндра с радиальными отверстиями в стенке для прохода рабочей жидкости, шток с осевым сквозным отверстием, установленный в цилиндре и снабженный поршнем, и два герметизатора с наконечниками, установленные соосно с корпусом, один герметизатор тупиковый, другой - проходной, в соответствии с техническим решением в корпусе параллельно его оси выполнены каналы, связанные с соответствующими радиальными каналами, цилиндр со штоком и поршнем установлен внутри каждого герметизатора, причем основание цилиндра, образующее поршневую полость, жестко связано с корпусом, а шток противоположным поршню краем - с наконечником; в каждом поршне параллельно его оси выполнены три сквозные отверстия, в двух из них установлены противоположно ориентированные обратные клапаны, а третье посредством гибкого шланга связано с корпусом.

Сущность изобретения поясняется принципиальными схемами. На фиг. 1 показано положение устройства для осуществления гидроразрыва в пробуренной скважине; на фиг. 2 - компоновка устройства для осуществления гидроразрыва; на фиг. 3 - корпус в аксонометрии; на фиг. 4 -то же, но с противоположной стороны; на фиг 5 - разрез А-А на фиг 2; на фиг. 6 - разрез Б-Б на фиг 2; на фиг. 7 - разрез В-В на фиг. 2.

Способ осуществляют следующим образом. В угольный пласт бурят скважину 1 и по ее длине на равном расстоянии друг от друга нарезают нормально ориентированные инициирующие щели 2. После удаления из скважины бурового инструмента и щелеобразователя (не показаны) приступают к осуществлению поинтервального гидроразрыва угольного пласта. Для этого в скважину 1 до периферии (забоя) вводят скважинное устройство 3.

Скважинное устройство 3 содержит: корпус 4, тупиковый 5 и проходной 6 герметизаторы и подводящие рабочую жидкость шланги: 7 -воды высокого давления с пропантом и 8, 9 - воды высокого давления фиксации герметизаторов.

Корпус 4 выполнен в виде цилиндра, центральные части 10 и 11 торцов которого оснащены резьбой, а периферийные 12 и 13 - устройствами заделки рукава высокого давления. В центральной части 10 торца со стороны проходного герметизатора 6 параллельно оси цилиндра выполнены глухие каналы 14, 15, 16 и 17. В центральной части 11 торца со стороны тупикового герметизатора 5 - глухой канал 18. В средней части цилиндрической поверхности выполнены радиальные каналы: 19 до сопряжения с каналом 14; 20 до сопряжения с каналами 15 и 17; 21 до сопряжения с каналами 16 и 18. При этом части каналов 20 и 21, прилегающие к образующей цилиндра корпуса 4 заглушены, например, сваркой.

Тупиковый герметизатор 5 содержит гидравлический цилиндр 22, поршень 23, шток 24, наконечник 25 с устройством заделки рукава высокого давления 26 и сам рукав высокого давления 27. При этом основание цилиндра 22, образующее поршневую полость, жестко связано с корпусом 4, а шток 24 противоположным поршню 23 краем - с наконечником 25. В стенке цилиндра 22, в поршневой полости, выполнено радиальное сквозное отверстие 28.

В поршне 23 параллельно оси штока 24 выполнены сквозные отверстия 29, 30 и 31. Посредством гибкого шланга 32 в поршневой полости отверстие 29 связано с каналом 18 в корпусе 4. В отверстиях 30 и 31 установлены противоположно ориентированные обратные клапаны 33 и 34. При этом обратный клапан 33 снабжен жесткой пружиной 35, обеспечивающей закрытие клапана даже при давлении в штоковой полости примерно равном 0,8 Ртах, а клапан 34 - слабой пружиной 36, обеспечивающей открытие клапана даже при незначительном превышении давления в поршневой полости относительно штоковой гидравлического цилиндра 22.

Внутренний объем герметизатора 5 заполнен водой.

Проходной герметизатор 6 содержит гидравлический цилиндр 37, поршень 38, шток 39, проходной наконечник 40 с устройством заделки рукава высокого давления 41 и сам рукав высокого давления 42. При этом основание цилиндра 37, образующее поршневую полость, жестко связано с корпусом 4, а шток 39 противоположным поршню 38 краем - с наконечником 40. В стенке цилиндра 37, в поршневой полости, выполнено радиальное сквозное отверстие 43.

В поршне 38 параллельно оси штока 39 выполнены сквозные отверстия 44, 45 и 46. Посредством гибкого шланга 47 в поршневой полости отверстие 44 связано с каналом 17 в корпусе 4. В отверстиях 45 и 46 установлены противоположно ориентированные обратные клапаны 48 и 49. При этом обратный клапан 48 снабжен жесткой пружиной 50, обеспечивающей закрытие клапана даже при давлении в штоковой полости примерно равной 0,8 Ртах, а клапан 49 - слабой пружиной 51, обеспечивающей открытие клапана даже при незначительном превышении давления в поршневой полости относительно штоковой гидравлического цилиндра 37.

В штоке 39 выполнено сквозное осевое отверстие 52, в котором размещены шланги: 7, связанного с каналом 14 в корпусе 4; 8 - с каналом 15; 9 - с каналом 16. Проходной герметизатор закрыт крышкой-кожухом 53.

Внутренний объем герметизатора 6 заполнен водой.

Устройство размещают в скважине на глубине, соответствующей расположению канала 19 в корпусе 4 вблизи кольцевой инициирующей щели 2.

Сначала по шлангу 9 обеспечивают подачу воды высокого давления в корпус 4, из которого она по каналам 21,18 и шлангу 32 поступает в штоковую полость гидроцилиндра 22 тупикового герметизатора 5. Оба обратных клапана 33 и 34 в поршне 23 закрыты. С ростом давления в штоковой полости начинается перемещение поршня 23 в поршневую полость, что приводит к сокращению длины герметизатора 5. При этом вода из внутреннего объема герметизатора 5 и поршневой полости гидроцилиндра 22 поступает в пространство между гидроцилиндром 22 и рукавом высокого давления 27, приводя его к деформации - наружная поверхность рукава 27 прижимается к стенке скважины 1. Давление воды в штоковой полости примерно равное величине 0,8 Р_mах преодолевает сопротивление пружины 35 приводя к открытию обратного клапана 33. В результате открытия обратного клапана 33 вода высокого давления из штоковой полости поступает в поршневую и далее через отверстие 28 в пространство между гидроцилиндром 22 и рукавом высокого давления 27. Дальнейший рост давления рабочей жидкости приводит к увеличению силы прижатия. Герметизатор 5 зафиксирован в скважине 1.

После фиксации тупикового герметизатора 5 включают подачу воды высокого давления по шлангу 8 в корпус 4. По каналам 15, 20,17 и шлангу 47 вода поступает в штоковую полость гидроцилиндра 37. Оба обратных клапана 48 и 49 в поршне 38 закрыты. С ростом давления в штоковой полости начинается перемещение поршня 38 в поршневую полость, что приводит к сокращению длины герметизатора 6. При этом вода из внутреннего объема герметизатора 6 и поршневой полости гидроцилиндра 37 поступает в пространство между гидроцилиндром 37 и рукавом высокого давления 42, приводя его к деформации - наружная поверхность рукава 42 прижимается к стенке скважины 1. Давление воды в штоковой полости примерно равное величине 0,8 P_max преодолевает сопротивление пружины 50, приводя к открытию обратного клапана 48. В результате открытия обратного клапана 48 вода высокого давления из штоковой полости поступает в поршневую и далее через отверстие 43 в пространство между гидроцилиндром 37 и рукавом высокого давления 42. Дальнейший рост давления рабочей жидкости приводит к увеличению силы прижатия -герметизатор 6 фиксируется в скважине 1.

После фиксации обоих герметизаторов по шлангу 7 подают под высоким давлением воду с пропантом, которая по каналу 19 в корпусе 4 поступает в зону скважины 1, расположенную между проходным 6 и тупиковым 5 герметизаторами. В этой зоне скважины 1 выполнена кольцевая инициирующая щель 2. За счет высокого давления воды с пропантом происходит гидроразрыв угольного пласта с образованием поперечной кольцевой трещины 54.

После осуществления гидроразрыва отключают подачу воды с пропантом и воды в проходном герметизаторе 6, оставляя тупиковый герметизатор 5 под давлением. После отключения подачи воды высокого давления в герметизатор 6 с началом снижения давления в штоковой полости гидроцилиндра 37 в поршневой полости сохраняется высокое давление; за счет разности давлений открывается обратный клапан 49. В результате открытия обратного клапана 49 вода высокого давления из штоковой полости устремляется в поршневую из которой по шлангу 47 поступает в корпус 4 и далее на слив. Проходной герметизатор 6 теряет фиксацию в скважине 1; между наружной поверхностью рукава высокого давления 42 и стенкой скважины 1 образуется зазор, через который отработанная вода с пропантом из кольцевой трещины 54 выходит в скважину 1; давление в пространстве между герметизаторами 5 и 6 резко падает, исключая тем самым вероятность выброса устройства из скважины.

После выравнивания давлений в кольцевой трещине 54 и скважине 1 отключают подачу воды в тупиковый герметизатор 5. При этом с началом снижения давления в штоковой полости гидроцилиндра 22 в поршневой полости сохраняется высокое давление; за счет разности давлений открывается обратный клапан 34. В результате открытия обратного клапана 34 вода высокого давления из штоковой полости устремляется в поршневую из которой по шлангу 32 поступает в корпус 4 и далее на слив. Тупиковый герметизатор 5 теряет фиксацию в скважине 1.

После потери фиксации устройство перемещают вдоль скважины 1 на шаг нарезки инициирующих щелей до следующей кольцевой инициирующей щели 2 и повторяют цикл работы по осуществлению гидроразрыва и т.д.

За счет действия сил горного давления сразу после осуществления гидроразрыва пласта в образовавшиеся кольцевые трещины из угольного массива выделяется метан, но те же силы горного давления действуя на угольный пласт, приводят к смыканию кольцевых трещин, резко снижая при этом выделение метана. Механические частицы - пропант - обладающие повышенной твердостью, попав в пространство кольцевой трещины, оседают на ее стенках и предотвращают их смыкание, обеспечивая тем самым возможность беспрепятственного удаления метана из угольного пласта, что свидетельствует о достижении поставленной цели.

После осуществления гидроразрыва за счет более раннего снятия распорного усилия в герметизаторе со стороны устья скважины осуществляют выравнивание давления в скважине и в полости, образованной гидроразрывом, при этом само устройство удерживается в скважине за счет распорного усилия в герметизаторе со стороны забоя скважины, что исключает выброс устройства из скважины;

За счет первоначального осевого сжатия каждого герметизатора перед фиксацией в скважине снижается вероятность нарушения герметичности заделки рукава высокого давления как в корпусе устройства, так и в наконечнике герметизатора, что снижает вероятность аварии с устройством для осуществления гидроразрыва.

Все вышеперечисленное повышает эффективность и надежность осуществления гидроразрыва, что свидетельствует о достижения цели изобретения.

Группа изобретений относится к горному делу, в частности к извлечению метана из угольных пластов. Способ гидроразрыва угольного пласта включает бурение пластовой скважины, размещение в скважине устройства для осуществления гидроразрыва, заполнение герметизаторов устройства рабочей жидкостью до фиксации в скважине, выполнение поинтервального гидроразрыва пласта в пространстве между герметизаторами с образованием искусственных полостей и расширением естественных трещин, введение во вновь образовавшиеся искусственные полости и расширенные естественные трещины расклинивающего агента – пропанта. При этом при заполнении устройства рабочей жидкостью каждый герметизатор сначала сжимают в осевом направлении подачей рабочей жидкости в штоковую полость цилиндра со штоком и поршнем, установленным в каждом герметизаторе, затем фиксируют в скважине. Гидроразрыв осуществляют рабочей жидкостью с расклинивающим агентом. После осуществления гидроразрыва выравнивают давление в расширенных трещинах и образовавшихся искусственных полостях и скважине отключением давления рабочей жидкости сначала в герметизаторе со стороны устья скважины, а после снятия распорного усилия в нем – в герметизаторе со стороны забоя скважины. Скважинное устройство для осуществления гидроразрыва угольного пласта содержит корпус, выполненный в виде цилиндра с радиальными отверстиями в стенке для прохода рабочей жидкости, шток с осевым сквозным отверстием, установленный в цилиндре и снабженный поршнем, и два герметизатора с наконечниками, установленные соосно с корпусом, один герметизатор тупиковый, другой – проходной. В корпусе выполнены осевые каналы, связанные с соответствующими радиальными каналами. Цилиндр со штоком и поршнем установлен внутри каждого герметизатора. Причем основание цилиндра, образующее поршневую полость, жестко связано с корпусом, а шток противоположным поршню краем – с наконечником. В каждом поршне параллельно его оси выполнены три сквозные отверстия, в двух из них установлены противоположно ориентированные обратные клапаны, а третье посредством гибкого шланга связано с корпусом. Обеспечивается повышение эффективности и надежности осуществления гидроразрыва угольного пласта. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ гидроразрыва угольного пласта, включающий бурение пластовой скважины, размещение в скважине устройства для осуществления гидроразрыва, заполнение герметизаторов устройства рабочей жидкостью до фиксации в скважине, выполнение поинтервального гидроразрыва пласта в пространстве между герметизаторами с образованием искусственных полостей и расширением естественных трещин, введение во вновь образовавшиеся искусственные полости и расширенные естественные трещины расклинивающего агента – пропанта, отличающийся тем, что при заполнении устройства рабочей жидкостью каждый герметизатор сначала сжимают в осевом направлении, подачей рабочей жидкости в штоковую полость цилиндра со штоком и поршнем, установленным в каждом герметизаторе, затем фиксируют в скважине, гидроразрыв осуществляют рабочей жидкостью с расклинивающим агентом, после осуществления гидроразрыва выравнивают давление в расширенных трещинах и образовавшихся искусственных полостях и скважине отключением давления рабочей жидкости сначала в герметизаторе со стороны устья скважины, а после снятия распорного усилия в нем – в герметизаторе со стороны забоя скважины.

2. Скважинное устройство для осуществления гидроразрыва угольного пласта, содержащее корпус, выполненный в виде цилиндра с радиальными отверстиями в стенке для прохода рабочей жидкости, шток с осевым сквозным отверстием, установленный в цилиндре и снабженный поршнем, и два герметизатора с наконечниками, установленные соосно с корпусом, один герметизатор тупиковый, другой – проходной, отличающееся тем, что в корпусе выполнены осевые каналы, связанные с соответствующими радиальными каналами, цилиндр со штоком и поршнем установлен внутри каждого герметизатора, причем основание цилиндра, образующее поршневую полость, жестко связано с корпусом, а шток противоположным поршню краем – с наконечником, в каждом поршне параллельно его оси выполнены три сквозные отверстия, в двух из них установлены противоположно ориентированные обратные клапаны, а третье посредством гибкого шланга связано с корпусом.