Способ дегазации угольного пласта Советский патент 1990 года по МПК E21F7/00 

1

|(21) 4378556/23-03 (22) 04.01.88 (46) 07.04.90. Бюл. № 13 (75) А.И.Бобров, К.К.Софийский, Л.А.Вайнштейн, В.С.Маевский и В.В.Репецкий (53) 622.817(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 635249, кл. Е 21 F 5/00, 1978.

Авторское свидетельство СССР № 1102986, кл. Е 21 F 7/00, 1983

(54) СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

(57) Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке выбросоопасных пластов. Цель - повышение эффективности дегазации и снижение энергоемкости воздействия на пласт за счет оптимизации параметров управляемого разрушения. В угольный пласт бурят дегазационные скважины, герметизируют их и заканчивают жидкость под давлением. Давление жидкости должно быть не

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при дегазации выбросоопасных пластов.

Цель изобретения - повышение эффективности дегазации и снижение энергоемкости воздействия на пласт за счет оптимизации параметров управляемого разрушения.

На фиг. 1 приведена технологическая схема размещения оборудования скважины, а также сформировавшиеся

ому и . газаеахием.

авсменьше предела прочности угля на Отроге,, Предел прочности определяют на пробах угля, взятых предварительно из пласта. Давление жидкости в скважине периодически повышают не менее чем в два раза. Определяют экспериментально или аналитически толщину слоя угля, разрушаемого за один период повышения давления. Рассчитывают размер зоны предельно напряженного состояния (ПНС угля вокруг скважины. Определяют количество периодов воздействия на пласт. В момент разрушения зоны ПНС угля сбрасывают давление жидкости и выпускают из скважины жидкость и уголь. Затем извлекают газ из скважины в течение времени формирования новой зоны ПНС угля. На практике это время превышает 6,ч. Применение способа создает глубокую дегазацию пласта с одновременной его разгрузкой. Извлекаемый газ характеризуется высоким содержанием метана. 1 з.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

после обработки пласта зоны различной напряженности; на фиг. 2 и 3 - схемы иллюстрирующие предлагаемый способ.

На технологической схеме приняты следующие обозначения: скважина 1; обсадная труба 2; герметизирующий раствор 3, насос 4 высокого давления; гидравлическая заглушка 5; привод 6 для сброса давления; dj,p- диаметр зоны разгрузки; - диаметр

с

(Л

СП

ел ел ел

00

зоны предельно напряженного состоя- ния; dCK - диаметр скважины; d по„ - диаметр полости.

Способ осуществляют следующим об- разом.

Из выработки, в которой размещены насос 4 высокого давления, гидравлическая заглушка 5, привод 6 для сброса давления на угольный пласт бурят скважину 1. В скважину вставляют обсадную трубу 2 и герметизируют ее скрепляющим раствором 3. К обсадной трубе подключают насос высокого давления, гидравлическую заглушку с приводом для ее управления путем сброса давления в скважине. Затем насосом создают давление жидкости в скважине не меньше прочности угля на отрыв, определяемого путем разрушения при разгрузке. Давление в скважине повышают до уровня, превышающего двухкратный первоначальный, ,и резко сбрасывают. Учитывая толщи- |ну разрушенного угля за один цикл повышение - сброс и размеры зоны предельно напряженного состояния вокруг скважины, устанавливают момент ее разрушения, после которого открывают заглушку, и давление в скважине ;сбрасывают до атмосферного с одновременным выпуском разрушенного угля в выработку. После чего производят отбор газа в течение времени формиро- вания зоны предельно напряженного состояния массива вокруг скважины, что на практике составляет время более 6ч.

Способ базируется на следующих физических предпосылках.

В призабойной части пласта формируется зона влияния выработки, в которой можно выделить зону разгрузки dj -(зона отжима); зону предельно, напряженного состояния d.np ; област упругого состояния. При разрушении призабойной части пласта указанные зоны перемещаются в глубину массива, формируя новую зону влияния выработки, с последующей дегазацией. Разрушение угля можно осуществлять путем разгрузки напряженного массива. Уровень напряженного состояния, определяющий разрушение угля при разгрузке устанавливается по методу и на установке ИГД им. А.А.Скочинского. При этом образец нагружается давлением, после этого разрушается хрупкая мем- брана, и одна поверхность образца

Q

.

, 0 5

5

разгружается, что при определенном уровне давления сопровождается разрушением образца на определенную глубину.

Таким образом, если в скважине создать давление, которое изменяется в пределах, достаточных для поддержания разрушения при каждом цикле нагрузки-разгрузки, то таким образом можно осуществлять разрушение угольного пласта в окрестности скважины. Для предотвращения перехода пласта в лавинообразное разрушение в скважине необходимо поддерживать фоновое давление не меньшее, чем уровень, определяющий разрушение при разгрузке. Обеспечивая таким образом управление процессом разрушения пласта вокруг скважины 1 при минимальных значениях энергоемкости воздействия, выбирают оптимальный режим дегазации угольного пласта.

Предварительно из пласта отбирают пробы угля, которые помещают в установку для определения прочности на отрыв методом разгрузки. Создают гидростатическое объемно-напряженное состояние на образец. Затем путем разрушения хрупкой мембраны разгружается одна поверхность образца и, таким образом, определяют наименьший уровень давления жидкости Р0, при котором имеет место устойчивое разрушение угля, устанавливают при этом глубину, проникновения разрушения 1 в образец, которую принимают за величину разрушения угля за цикл нагрузка - разгрузка и которую переносят на массив.

Определение размеров зоны предельно напряженного состояния осуществляют также аналитически. Рассматривают при этом плоскую задачу, которая соответствует напряженному состоянию массива вокруг скважины в плоскости пласта (фиг. 2). Тогда область предельно напряженного состояния пласта вокруг скважины определяют по формуле:

Д 2 Н-ЛСЖ Г

. ... . 1( Л )

, v I/

Го|НЛ

с

г

У пр

Л 1

-радиус зоны предельно напряженного состояния, м;

-радиус скважины, м|

-коэффициент бокового отпора, отн. ед}

N

51

- компоненты напряжений на глубине залегания от поверхности Н при объемном весе , МПа; Ь предел прочности на

сжатие, МПа;

6 ж - предел прочности разрушенного угля, МПа, Затем с помощью насоса создается давление в скважине, совпадающее с давлением при устойчивом разрушении угля по методу разгрузки, которое увеличивают не менее, чем в два раза а затем резко сбрасывают до первоначального, формируя тем самым разрушение пласта на глубину 1. Зная размеры зоны предельно напряженного состояния Га.пр и глубину разрушения за один цикл нагружение-разгрузка 1, устанавливают количество циклов воздействия на пласт

..

После чего давление в скважине резко сбрасывают до атмосферного, выпуская разрушенный уголь в выработку, и производят отбор газа не менее 6 ч, т.е. во время активного формирования нового положения зоны

разгрузки, а следовательно, и дегазации пласта.

Оптимальный интервал времени, в течение которого рекомендуется производить отбор газа, определяют следующим образом.

Перед вскрытием пласта через породную пробку толщиной не менее 2 м на пласт бурят скважину, из которой измеряют дебит газа. Измерения про- водят через каждый час. Затем последовательные замеры сравнивают между собой и за оптимальный интервал времени отбора газа из пласта принимают такой, на котором различие в дебите газа, определенном почасово, отличается менее чем на 5%, что совпадает с точностью прибора - расходомера газа. В табл. 1 приведены усредненные результаты измерения по двадцати случаям перед вскрытием выбросо- опасных- пластов.

Пример. На расстоянии 25 м от забоя штрека на пласт К6 были пробурены четыре контрольные, скважины диаметром 76 мм в которых гидравлическими затворами образовывались камеры, сообщающиеся с выработкой медными трубами. В каждой скважине

0

5

5

0

5

186

размещалось две трубки, по одной подавалась жидкость йод давлением для гидрозатвора, а другая сообщалась с камерой для измерения дебита i газа, Кроме того, трубки использовались для измерения деформаций массива между пластом и выработкой. Измерение дебита газа из скважин осуществлялось прибором ПГ-2Ма. Скважины располагались так, что после бурения скважины диаметром 300 мм расстояние от нее до контрольных составили 5, 10, 15, 20 м (фиг. 3)о

Предварительно для пласта методом разгрузки определен предельный уровень напряженного состояния, характеризующийся давлением жидкости, при котором имеет место устойчивое разрушение и которое составило 3,0 МПа. Глубина разрушения образца уже при этом составила 0,013 м. Кроме того, определен предел прочности угля, который равен 6,5 МПа.

Расчет, проведенный по формуле () при условии, что

о 0 15м;

7Tv где v

коэффициент Пуассона ж

1. 2

-vi 9 Ч Ј.

# мэ Н 8UO м;

эсж 6,5 МПа; Ј, 0,65 МПа,

показал, что радиус зоны предельно напряженного состояния вокруг скважины равен

0 15 Г -i.2l20MI a-Jb 5Mna1. j.np о,65 МПа Г

%0,75 м.

При глубине разрушения образца 0,013 м количество циклов для разрушения зоны предельно напряженного состояния вокруг скважины составило

0,75-0,15

-075ТГ m 46После бурения скважины диаметром 300. мм в течение 7 сут (.время подготовки скважин диаметром 76 мм) измерялся дебит газа. За указанный периN

Т

115

од времени из нее выделилось 12,4 м метана.

Затем, создав насосом УГН в скважине диаметром 300 мм давление, рав- ное 6,5 МПа, с йомощью дистанционного ручного управления его 46 раз повышали до величины 13,0 МПа и резко сбрасывали до начального уровня, равного 6,5 МПа,

Давление в скважине повышалось в течение 30-40 с и сбрасывалось за 0,8-1 с. После всего цикла повышение- сброс путем открывания гидравлической задвижки давление в скважине сбросили до атмосферного и переключили скважину через расходомер на работу в дегазационную сеть. При этом проводили через каждые 5 мин изменения прибором ПГ-2Ма дебита га- за из контрольных скважин. Результаты измерений показали что, если дебит газа в контрольные скважины 2 и 3 не изменился, то в скважине 1 он резко возрос, т.е. зона образовав™ шейся полости превысила 5 м„ Время обработки пласта составило 1,3 ч КоличествЪ выделившегося газа из скважины диаметром 300 мм в течение 6 ч составило 926,8 м3, а время ра- боты скважины до момента стабилизации дебита 7,5 ч.

После повторной обработки пласта через эту же скважину с параметрами г„, 0,75 м, 3,75 м, N 240 радиус влияния полбсти, контролируемой по повышению дебита в контрольные скважины, превысил 15 м, а время активной работы превысило 36 ч9 за которое выделилось 5086 м3 газа, Время обработки пласта в первом случае 1,3 м, а во втором - 6,5 ч.

Расчетный радиус влияния полости, т.е. зона предельно напряженного сое тояния, рассчитанный по формуле (1)5 составил 18,75 м.

Эффективность дегазации угольного пласта устанавливается путем сравнения количеств газа, выделившихся до и после воздействия на скважину. Так, при работе скважины без предварительного воздействия на пласт в

8

течение 7 сут выделилось 12,4 м5 газа, при этом радиус эффективного воздействия скважины составил менее 5 м. После 7,5-часового воздействия выделилось только в течение 43 ч 6012,8 м3 газа, а радиус влияния достиг 15 м„

Деформации расширения пласта после первого и второго циклов воздействия свидетельствуют о разгрузке массива между выработкой и дегазируемым пластом.

Формула изобретения

1 о Способ дегазации угольного пласта, включающий бурение скважины, ее обсадку, герметизацию устья, периодическое силовое- воздействие на пласт через скважину, о т л и ч a torn, и и с я тем, что, с целью повышения эффективности дегазации и снижения энергоемкости воздействия на пласт за счет оптимизации параметров управляемого разрушения, предварительно отбирают пробы угля и определяют предел прочности угля на отрыв методом разгрузкиэ глубину разрушения и размеры зоны предельно напряженного состоянияр а силовое воздействие на пласт осуществляют создание давления жидкости в скважине5 величиной не менее, чем предел прочности угля на отрыв, которое периодически повышают не менее, чем в два раза, причем количество циклов силового воздействия определяют из следующего математического выражения

N - 1

где г,.rip зоны предельно напряженного состояния, М|

1 - глубина разрушения, м, после чего давление в скважине сбрасывают до атмосферного и одновременно d этим начинают выпуск разрушенного угля и отсос газа.

2, Способ по п, 1, отличающийся тем, что отсос газа производят в течение не менее б ч.

Примечание. В знаменателе дано относительное изменение дебитов

с 2ЕЈй ЙУЩ§Ё :: 2°Ј2еЖ °Йе.е. . оо% прёдьщущее

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при разработке выбросоопасных пластов. Цель - повышение эффективности дегазации и снижение энергоемкости воздействия на пласт за счет оптимизации параметров управляемого разрушения. В угольный пласт бурят дегазационные скважины, герметизируют их и закачивают жидкость под давлением. Давление жидкости должно быть не меньше предела прочности угля на отрыв. Предел прочности определяют на пробах угля, взятых предварительно из пласта. Давление жидкости в скважине периодически повышают не менее чем в два раза. Определяют экспериментально или аналитически толщину слоя угля, разрушаемого за один период повышения давления. Рассчитывают размер зоны предельно-напряженного состояния (ПНС) угля вокруг скважины. Определяют количество периодов воздействия на пласт. В момент разрушения зоны ПНС угля сбрасывают давление жидкости и выпускают из скважины жидкость и уголь. Затем извлекают газ из скважины в течение времени формирования новой зоны ПНС угля. На практике это время превышает 6 ч. Применение способа создает глубокую дегазацию пласта с одновременной его разгрузкой. Извлекаемый газ характеризуется высоким содержанием метана. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

ds.np

Фиг. 1

| |

VW

Ji-W

f 14 W

Фиг, 2

М1,2,№-с/г8улпщ 076мм

Составитель И.Федяева Редактор С.Патрушева Техред М.Ходанич

Заказ 546

Тираж 372

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушскач наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г.Ужгорбд, ул. Гагарина,101

Герметизатор

фи,&3

Корректор И.Муска

Подписное