Способ обработки продуктивной толщи Советский патент 1992 года по МПК E21F7/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для подготовки к безопасной и эффективной отработке угольных пластов мощностью менее 2,5м заблаговременно и добычи метана до и после подработки скважины очистными работами.

Известен способ обработки продуктивной толщи, включающий бурение скважины с поверхности, обсадку ее трубами, тампонаж затрубного пространства, формирование трещин на уровне контакта пород основной и непосредственной почвы разрабатываемого угольного пласта и по середине его мощности нагнетанием рабочего агента, намывание песчаной пробки в скважине для разобщения интервалов перфорации обсадной колонны, нагнетание крупного песка с жидкостью для сохранения проницаемости трещин, размывание песчаной пробки в скважине, опускание колонны насосно-компрессорных труб в скважину до нижнего интервала перфорации обсадной колонны, установку над ней пакера, подачу сжатого газа в центральную колонну труб, вытеснение из продуктивной толщи газожидкостной смеси и газа по кольцевому пространству, снятие и установку пакера ниже верхнего интервала перфорации обсадной колонны, подачу сжатого газа в кольцевое пространство и вытеснение из продуктивной толщи газожидкостной смеси

xj х| О ю ел

и газа по центральной колонне труб на поверхность.

Как показывает практика основания скважин гидрорасчленения, формирование трещин непосредственно в теле уголь- ного пласта нагнетанием жидкости технически и экономически нецелесообразно вследствие блокирования путей миграции метана из трещинно-порового объема угля жидкостью из-за низкого уровня ее извлечения (до 20...30%) после нагнетания в пласт.

Созданная в последние десятилетия концепция эффективной дегазации разрабатываемого угольного пласта снижения, а тем более предотвращения его выбросоо- пасности путем внедрения непосредственно в теле пласта воды не достаточно научно обоснована. Как показала практика, имеют место выбросы при бурении скважин и в процессе нагнетания в них воды. В неосвоенных зонах гидровоздействия на угольный пласт из-за отсутствия водосборного коллектора практически невозможно исключить побочные негативные последствия в аспекте водонасыщения пород кровли пласта, потери устойчивости и усложнение ее поддержания, равновероятно как и водонасыщения пород почвы пласта, особенно склонных к пучению и вызывающих деформацию подготовительных выработок и снижение проницаемости породы.

Известно, что в большинстве районов Донецкого бассейна газообильность горных выработок, начиная с глубины 500-600, определяется газоносностью не столько разрабатываемых угольных пластов, сколько вмещающих пород. В этой связи снижение газоносности и выбросоопасно- сти разрабатываемых угольных пластов эффективно только при дегазации продуктивной толщи (разрабатываемый угольный пласт + вмещающие горные породы). Последнее обеспечивает попутно добычу мётана до подработки скважины очистными работами.

Целью изобретения являются повышение безопасности ведения горных работ за счет интенсивной откачки жидкости и более глубокой дегазации продуктивной толщи с использованием эффекта эжекции нагнетательного в последнюю воздуха,

Указанная цель достигается тем, что формирует трещины на уровне контакта пород основной и непосредственной кровли разрабатываемого угольного пласта нагнетанием рабочего агента одновременно в породы почвы и кровли угольного пласта и формируют прискважинные трещины на уровне середины мощности угольного пласта, например, сжиганием пороховых зарядов.

При проведении патентного поиска не

выявлено известных технических решений, поэтому имеющиеся в сравнении с прототипом отличительные признаки существенны. Последовательность выполнения технологических операций для реализации предлатаемого изобретения. С дневной поверхности на породы почвы разрабатываемого угольного пласта бурят скважину, об- саживают ее трубами, тампонируют затрубное пространство, опускают в скважину гидроперфоратор и на уровне контакта пород основной и непосредственной почвы разрабатываемого угольного пласта прорезают щели в обсадной колонне, поднимают гидроперфоратор, намывают песчаную пробку до уровня контакта пород основной и непосредственной кровли разрабатываемого угольного пласта, опускают гидроперфоратор до упора и прорезают щели в обсадной колонне, поднимают гидроперфоратор на поверхность, размывают песчаную пробку в скважине, нагнетают жидкость одновременно в породы почвы и кровли разрабатываемого угольного пласта для формирования трещин, нагнетают крупный песок с жидкостью для сохранения проницаемости трещин, опускают перфоратор, и прорезают щели в обсадной колонне по средине мощности разрабатываемого угольного пласта и формируют в нем прискважинную трещину, например сжиганием перового заряда, опускают в скважину колонну насосно-компрессорных труб до нижнего интервала перфорации обсадной колонны, устанавливают над ней пакер,

подают сжатый воздух в центральную колонну труб, вытесняя из продуктивной толщи газожидкостную смесь и газ по кольцевому пространству, снимают и устанавливают пакер ниже верхнего интервала

перфорации обсадной колонны, подают сжатый газ в кольцевое пространство, вытесняя из продуктивной толщи газожидкостной смеси, газа по центральной колонне труб на поверхность.

Для расслоения пласта, т.е. для образования в плане горизонтальной трещины, необходимо внутри пористого пространства создать давление Рр, превышающее горное на величину временного сопротивления горных пород на разрыв ар, так как надо преодолеть силы сцепления частиц породы

Рр Рг+ Ор,

(D

где Рг - давление горных пород, МПа;

Рг /9пдН,(2)

гдерп - плотность горных пород, кг/м3;

,81 м/с2;

Н - глубина залегания пласта, м.

Сопротивление горных пород на разрыв, по мнению проф.В.И.Щурова, обычно мало и лежит в пределах сгр 1,5...3 МПа, поэтому оно не влияет существенно на Pp. Рекомендуются приближенные значения давления разрыва для неглубоких скважин (Н 1000 м)

РР(1.74-2.57)Рсг,

где Рст - гидростатическое давление столба жидкости, высота которого равна глубине залегания пласта,

Рст /эждН cos/,

(4)

где рж - плотность жидкости в скважине, кг/м3;

ft - угол кривизны (усредненный), град.

На основании изложенного установлено, что энергетические затраты на создание трещин в продуктивной толще зависят от прочностных характеристик пород основной и непосредственной кровли и почвы разрабатываемого угольного пласта и прочностью их контакта. Значения характеристик механических свойств пород и углей при испытаниях на сжатие приведены в табл.1.

Если принять за 100% предел прочности перпендикулярно слоям, то предел прочности параллельно слоям выразится данными, приведенными в табл.2.

Анализ данных табл.1 и 2 свидетельствуют о том, что предел прочности пород основной кровли, почвы при сжатии превышает предел прочности пород непосредственной кровли, почвы при сжатии, во-первых, предел прочности пород при сжатии параллельно слоям (за исключением известняка) на 64-89% ниже предела прочности пород при сжатии перпендикулярно их напластованию, во-вторых, разница в значениях величин предела прочности пород и угля при сжатии весьма существенна, -в-третьих.

Следует также обратить внимание на то, что величина предела прочности основной и непосредственной кровли при сжатии выше, чем у пород основной и непосредственной почвы.

Кроме того, выявлено, что предел прочности пород при сжатии выше предела прочности пород при растяжении (разрыве).

Известно, что предел прочности при разрыве контактов существенно меньше предела прочности при разрыве породы в смежных слоях. Предел прочности при разрыве контакта пород рекомендуется принимать из условия

(4)

Opi 1 0,4 С1 ,

где С1 - коэффициент сцепления (например), для углистых сланцев: аргиллита

15 0,006...0,039; алевролита 0,006...0,243; песчаника 0,027...1,86; для растительных остатков: 0.009...0,48; 0,006...1,14; 0.45... 1,8; для мелкого растительного детрита: 1,9...2,4; 0,92-4,32 (соответственно), МПа. Для зеркал

20 скольжения значения коэффициента сцепления составляют в среднем 0.012 (аргиллит) и 0,015 (алевролит), т.е. ниже приведенных значений коэффициента сцепления при наличии на контакте перечислен25 ных включений.

Сравнительный анализ приведенных данных показывает, что разница в значениях величин пределов прочности пород основной и непосредственной кровли, почвы

30 и предела прочности пород на их контакте превышает один-два порядка.

Нагнетание жидкости с темпом, превышающим естественную приемистость контактов пород непосредственной и основной

35 почвы и кровли, направлено на формирование не только в них магистральных трещин, но и множества вертикальных и горизонтальных трещин в разрабатываемом угольном пласте и главным, образом угольном

40 пласте и породах непосредственной почвы и кровли. Последнее объясняется тем, что величина предела прочности на сжатие песчаника, алевролита в сравнении с углем практически на порядок выше.

45 Пример. Допустим необходимо снизить газоносность и выбросоопасность пласта Кю Феликс и вмещающих пород в Карагандинском бассейне на поле шахты им. Костенко. Мощность пласта Кю изменя50 ется от 1,5 до 2,5 м. последний разделен прослоями аргиллита мощностью от 0,01 до 0,05 м. Характеристика пласта: газоносность - 15,6 м3/т; ожидаемая газообильность - 31 м /т; выход летучих веществ 55 25%. Кровля пласта представлена сырыми слабоуглистыми аргиллитами мощностью 2,5-8 м, далее серым, мелкозернистым, крепким песчаником, почва пласта - аргиллитом, слабоуглефицированным мощностью 4-6 м, более песчаником. Пласт Кю

отнесен к опасным по гззу (шахта сверхка- тегорная) и пыли и условно к выбросоопас- ным.

Бурится скважина на глубину 512 м, обсаживается трубами, например диаметром 146 мм с толщиной стенки 8 мм, затрубное пространство тампонируется цементом. Установка гидроперфоратора в начале на глубине 501, а затем 491 м обеспечивается тщательным промером длины труб при спу- скоподьемных операциях и определением глубины спуска лебедкой. Для более точной установки перфоратора против нужного интервала применяют в колонне НКТ муфту- репер. После спуска аппарата АП-6 м в скважину, обвязки ее устья и присоединения к нему насосных агрегатов система спрессовывается давлением, превышающим рабочее в 1,5 раза. Перед опрессовкой НКТ проверяется герметизация системы известным способом, а затем производится перфорация закачкой в НКТ водопесчаной смеси. Концентрация песка в воде обычно составляет 80-100 кг/м3.

При гидропескоструйной перфорации (ГПП) создание отверстий в колонне, цементном камне канала в породе достигается приданием песчаио-водной струе скорости в несколько сотен метров в секунду.

Нижний предел допустимого перепада в насадках, обеспечивающий эффективное разрушение обсадной колонны, цементного камня м породы не должен быть меньше 12-14 МПа (для 6 мм насадок). При прочности горных пород (7сж 20-30 МПа) нижние пределы, как показывает опыт, целесообразно увеличить до 18-20 МПа.

Время эффективного воздействия на преграду не должно превышать 15- 20 мин.

При гидропескоструйной перфорации применяется то же оборудование, как и при разрыве пласта. Устье скважины оборудуется стандартной арматурой типа 1АУ-700, рассчитанной на рабочее давление 70 МПа, Для прокачки водопесчаной смеси используются насосные агрегаты 4АН-700, развивающие максимальное давление до 70 МПа, при меньших давлениях - цементировочные агрегаты.

Водопесчаная смесь готовится в пес- космесительном агрегате (2ПА, ЗПА и др.), который представляет собой бункер для песка емкостью Юме коническим дном.

Нагнетание 4000.,.5000 м3 жидкости с расходом 40..,60 л/с и при давлении 15...25 МПа в перфорационные щели обсадной колонны скважины на уровне пород основной и непосредственной кровли и почвы разрабатываемого угольного пласта производят группой (8 шт.) агрегатов 4АН-700. Для ослабления породного массива можно в воду вводить добавки.

В случае необходимости увеличения

размеров зон гидрообработки через скважину для продавливания воды по магистральным трещинам пород непосредственной и основной почвы и кровли пласта в

глубь массива на кабеле в скважину до проектной отметки (491 и 501 м) опускают два стандартных снаряда АДС-б. Расстояния между снарядами и зонами перфораций скважины равны 10 м. Включают одновременно спирали - воспламенители последних. Сравнительно быстрое сгорание пороховых зарядов за 3.3 с позволяет создать давление 30-100 МПа за счет того, что жидкость в скважине и в магистральных трещинах пород играет роль уплотнительного поршня, который не успевает быстро сдвинуться с места благодаря своей инерции. При таком процессе горения осуществляется механическое воздействие на продуктивную толщу, приводящее к образованию в ней новых трещин и расширению существующих. Такое воздействие аналогично гидро- разрыву пласта, но без закрепления образовавшихся трещин наполнителем.

Возможно и ступенчатое продавливание воды в глубь массива с постоянным увеличением массы порохового заряда и не ранее чем через 2 часа после предыдущего сжигания последнего.

Для предотвращения выбросов жидкости, прихватов кабеля и разрывов обсадной колонны необходимо держать уровень жидкости ниже устья примерно на 50 м, а устье герметизировать специальным сальником.

В таком случае пространство над уровнем жидкости выполняет роль амортизатора или воздушного компенсатора.

Указанные виды работ по использованию снарядов АДС-6 выполняются геофизическими конторами или трестами, располагающими необходимым оборудованием, аппаратурой и обученным персоналом.

После продавливания воды в глубь массива закачивают жидкость - песконоситель для закрепления образовавшихся в породах трещин в раскрытом состоянии. Для ГРП применяют, например чистый кварцевый песок с размером зерен от 0,5 до 1,2 мм.

Количество закачиваемого песка при однократном разрыве (в каждую зону перфорации) составляет 2-6 т. Закачку осуществлять 180-350 кг песка (плотность 2650 кг/м3) на 1 м3 жидкости.

На отметке 496 м перфорируют обсадную колонну скважины в плоскости середины мощности разрабытываемого угольного пласта и формируют в нем прискважинную трещину, например взрыванием АДС-6 трижды с интервалом через каждые 2 часа после предыдущего взрывания. Причем массу каждого последующего порохового заряда рекомендуется увеличивать.

Операция по термогазохимическому воздействию на продуктивную толщу проста. На ее осуществление затрачивают 6-9 ч времени, тогда как на обычный гидроразрыв тратится 2-3 сут.

Перфорация скважины на уровне середины мощности разрабатываемого угольного пласта и формирование в нем прискважинных трещин путем, например ступенчатого сжигания пороховых зарядов имеет многоцелевое назначение: снятие накопленной угольным пластом потенциальной энергии в виде упругих напряжений в условиях двухстороннего сжатия пласта при нагнетании одновременно рабочего агента в породы почвы и кровли и продавливания последнего в глубь массива, вытеснение газожидкостной смеси и газа из над- и под- пластовых трещин, самоистечение метана из угольного пласта и т.д.

В скважину опускают колонну насосно- компрессорных труб до отметки 501 м и устанавливают над ней пакер для изоляции верхней части кольцевого пространства. Компрессором закачивают воздух в центральную колонну труб, вытесняя вначале газожидкостную смесь и газ, из трещин продуктивной толщи на поверхность. Останов компрессора на первом этапе связан с прекращением выноса на поверхность газожидкостной смеси, впоследствии - с прекращением выноса на поверхность метана. Количество циклов закачки воздуха в скважину по указанной выше схеме газлифтного подъемника устанавливается в основном экспериментально по объему откачанной воды.

После откачки 50-60% объема ранее закачанной в зону перфорации воды пакер переустанавливают на отметку 492-493 м для изоляции нижней части кольцевого пространства. По общепринятой методике компрессором закачивают воздух в кольцевое пространство скважины, вытесняя газожидкостную смесь и метан, из трещин продуктивной толщи в трещины угольного пласта и пород почвы и на поверхность. Останов компрессора и количество циклов закачки воздуха по указанной выше схеме гззлифтного подъемника аналогичен приведенному.

При закачке воздуха как по центральной колонне труб, так и по кольцевому пространству необходимо контролировать состав выходящих из скважины газов и их

температуру в целях предупреждения возгорания угля.

В дальнейшем в целях более глубокой дегазации угленосной толщи и повышения дебитности скважины последнюю подсоединяют к вакуумнасосной станции. Добычу метана через скважину производят до начала ведения горных работ в зоне техногенного воздействия на продуктивную толщу, при подработке скважины очистными работами - из выработанного пространства лавы и купола обрушения горных пород.

Преимущества предлагаемого способа

обработки продуктивной толщи по сравнению с прототипом заключаются в следующем:

сокращаются сроки дегазации продуктивной толщи за счет разветвленной трещиноватости в последней;

происходит радикальное снижение газоносности и выбросоопасности продуктивной толщи;

повышается дебитность (удельной продуктивности) скважин до начала ведения горных работ и при входе их в зону техногенного воздействия;

более полно используются технические возможности горной техники и транспортных средств по наращиванию объемов добычи угля и темпов проведения подготовительных выработок;

снижается потенциальная энергия, накопленная угольным пластом в виде упругих

напряжений в условиях двустороннего сжатия угольного пласта вследствие нагнетания жидкости одновременно в породы почвы и кровли разрабатываемого угольного пласта и возможного продавливания жидкости в

глубь массива.

Предлагаемый способ обработки продуктивной толщи направлен на повышение безопасности ведения горных работ, т.е. имеет социальный характер. Область

применения - угольная промышленность: бурение специализированными подразделениями, имеющими технику и оборудование нефтяного сортамента и обученный персонал, наземных скважин на высокогазоносную, выбросоопасную продуктивную толщу, основу которой составляют разрабатываемый угольный пласт мощностью не менее 2,5 м и вмещающие горные породы.

Формула изобретения 1. Способ обработки продуктивной толщи, включающий бурение скважины с поверхности, обсадку ее трубами, тампонаж затрубного пространства, перфорацию об- садной колонны на уровнях контакта пород основной и непосредственой почвы разрабатываемого угольного пласта, середины его мощности и пород кровли угольного пласта, формирование в породах контакта ос- новной и непосредственной почвы угольного пласта, посередине его мощности и в породах кровли угольного пласта трещин внедрением рабочего агента с их последующим закреплением, опускание колонны на- сосно-компрессорных труб в скважину до нижнего интервала перфорации обсадной колонны, установку над ней пакера, подачу сжатого газа в центральную колонну труб, вытеснение из продуктивной толщи рабоче- го агента и метана по кольцевому пространству, снятие и установку пакера ниже верхнего интервала перфорации обсадной колонны, подачу сжатого газа в кольцевое пространство, вытеснение из продуктив- ной толщи рабочего агента и метана по

центральной колонне труб на поверхность, отличающийся тем, что, с целью повышения безопасности ведения горных работ за счет интенсивного вытеснения из продуктивной толщи рабочего агента и ее более глубокой дегазации, на первом этапе работ перфорацию обсадной колонны осуществляют на уровнях контактов пород основной и непосредственной почвы и кровли разрабатываемого угольного пласта и одновременно производят в них формирование трещин, на втором этапе работ осуществляют перфорацию обсадной колонны посередине мощности угольного пласта, а формирование трещин в присквэжинной зоне пласта производят сжиганием пороховых зарядов.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что, с целью увеличения размеров зоны силового воздействия, производят одновременно продавливание рабочего агента по трещинам в глубь массива сжиганием пороховых зарядов, размещенных в скважине на уровнях контактов пород основной и непосредственной почвы и кровли угольного пласта.

Изобретение относится к горному делу. Цель - повышение безопасности ведения горных работ за счет интенсивного вытеснения из продуктивной толщи рабочего агента и ее глубокой дегазации. Бурят скважину с поверхности. Обсаживают ее трубами и тампонируют затрубное пространство. Осуществляют перфорацию обсадной колонны на уровнях контактов пород основной и непосредственной почвы и кровли разрабатываемого угольного пласта. Производят формирование в них трещин продавливани- ем рабочего агента в глубь массива сжиганием пороховых зарядов и закрепление полученных трещин. Осуществляют перфорацию обсадной колонны по середине мощности угольного пласта с формированием трещин также сжиганием пороховых зарядов. Опускают колонну насосно-компрес- сорных труб в скважину до нижнего интервала перфорации обсадной колонны. Устанавливают над ней пакер и подают сжатый газ в центральную колонну труб до вытеснения из продуктивной толщи рабочего агента и метана по кольцевому пространству. Снимают и устанавливают пакер ниже верхнего интервала перфорации обсадной колонны. Осуществляют подачу сжатого газа в кольцевое пространство, вытесняя из продуктивной толщи рабочий агент и метан по центральной колонне труб на поверхность. 1 з.п.ф-лы, 2 табл. со с

Таблица 1