Способ проведения гидравлической обработки угольного пласта Советский патент 1981 года по МПК E21F5/00 E21F7/00 

I

Изобретение относится к горной промьшшенности и может быть использовано для обработки массива горных Пород, главным образом угольных, пластов, в-импульсном режиме с целью борьбы с газом, внезапными выбросами и пылью.

Известен способ гидроразрыва массива, заключающийся в бурении скважины, герметизации ее устья путем цементации обсадной трубы и подаче в пласт воды в режиме напорного нагнетания, гидроразрыва массива и создания в нем сети трещин LТ

Недостатком данного способа является трудоемкость и недостаточная надежность герметизации нагнетательных скважин.

Известен также способ проведения гидравлической обработки угольного пласта, включаклций бУрение в угольный пласт скважины, герметизацию ее устья, герметизацию скважины на глубину, необходимую для осуществления гидроразрыва угольного пласта, нагнетание в угольный пласт рабочей жидкости в напорном и импульсном режимах с помощью специальньк средств подачи жидкости, осздцествление гидроразрыва угольного пласта путем гидроимпульсного воздействия на него, удаление воды из скважины и трещин и каптаж газа из .угольного пласта Г 2 1.

10

Недостатком известного способа является, его относительно невысокая . эффективность в виду того, что в способе не обеспечена надежная герметизация устья скважин гидроразрьша,

15 обсадка устья скважин цементом трудоемка и требует много средств на герметизацию скважин, также нет условий для обработки пласта импульсами высокой энергии.

20

Цель изобретения - повышение .Эффективности дегазации угольного пласта путем повьппения газротдачй угольного пласта за счет управляемого измет нения его физико-механических свойств а также уменьшения экономических затрат на герметизацию скважины. Поставленная цель достигается тем, что гидравлическую обработку угольного пласта до осуществления процесса удаления воды из скважины и трещин производят в два этапа, управляя силой гидроимпульсного воздействия создавая на первом этапе сеть крупных трещин, на втором - разветвляя сеть крупных трещин системой мелких трещин предварительно перед нагнетанием рабочей жидкости в угольный пласт в скв жину вводят трубу-ствол специального средства подачи жидкости, герметизазию скважины на необходимую для осуществления гидроразрыва глубину прои водят путем нагнетания в образован ное между стенками -скёажины и трубой стволом затрубное пространство вязкой жидкости, вязкость которой больше вязкости рабочей жидкости, и удер жания ее на необходимой глубине посредством подпружиненного поршня, выполненного с уплотнительным элементом, и закрепленного на трубе-ств ле с возможностью его продольного перемещения по трубе-стволу, при это управление параметрами гидравлической обработки и силой гидроимпульс.ного воздействия производят, изменяя конструктивные параметры специальных средств подачи жидкости, параметры скважины и вязкость герметизирующей жидкости, причем в процессе гидроимпульсного воздействия давление герметизирующей жидкости на уч стке герметизации поддерживают равным давлению в скважине рабочей жидкости и газообразных продуктов взрыва, образующихся в процессе осуществления гидроимпульсного воздействия, кроме того, подпружиненный поршень, разделяющий герметизирующую и рабочую жидкость, смещают к устью скважины по мере осуществления эта ИОВ гидравлической обработки. На фиг. представлена схема распо ложения скважины в пласте и обсадке ее устья трубой и цементом на фиг, 2 - схема герметизации скважины в период гидрообработки угольного пласта. Способ осуществляют следующим образом. Из горной выработки 1 (фиг. 1 и 2) по пласту 2 проводят скважину 3, которую .обсаживают трубой 4 и цементны раствором 5 на глубину 6ц разгрузки массива выработки 1 / Р 4-10мХ После затвердевания раствора в скважину вводят трубу-ствол 6 (фиг. 2) установки 7, предназначенной для гидрообраОотки и разрыва пласта. Перед гидравлической обработкой пласта в затрубное пространство сква-жины 3 по шлангу 8 (фиг. 2) подают жидкость 9, вязкость которой превышает вязкость рабочей жидкости. }Кидкостью 9 заполняют скважину на глубину герметизации С , определяемую расчетом или опытным путем; Затем в скважину по шлангу 10., нагнетают рабочую жидкость 11. Вязкая и рабочая жидкости разделены подвижным поршнем 2 с уплотнительным элементом. В качестве рабочей жидкости используют воду или воду с различными добавками поверхностно-активных или химически-активных веществ (соответственно ПАВ и ХАВ) . Качество герметизации скважины гидроразрыва на глубине в условиях угольных пластов с различной проницаемостью обеспечивают подбором вязкостей рабочей жидкости и жидкости, предназначенной для герметизации. При вязкости рабочей жидкости, близкой к сП, вязкость герметизирующей жидкости принимают на пластах с низкой проницаемостью (обычно 0,0010,01 мдарси) в 10-100 раз, а на пластах с высокой проницаемостью (0,01-0,1 мД) в 100-1000 раз превышающей вязкость рабочей жидкости. В первом случае используют, например, карбоксилметилцеллюлозу средней вязкости (КМЦ-85/350 или КМЦ-350) концентрации 0,5-3%, гипая - 0,7 концентрации 1-4%; полиакриламид (ПАА, ПААР) вязкостью 0,5-1%, полиакриламидные полимеры (метас, комета, вязкостью 20-100 сП) концентрации 1-2% и др. Во втором случае использзтот, например, карбоксилметипцеллюлозу высокой вязкости ( КМТ,-85/500, КМЦ85/600) концентрации до 7-10%; гидролизованный полиакриламид ПАА концентрации 0,5-5%jкрахмал концентрации 5-10% и выше с добавлением щелочи концентрации 1-4% полиакриламидный полимер комета концентрации 2-10% и др. В том случае, когда гидроразрыв пласта осуществляют через скважину, герметизируемый участок которой, расположен в ненарушенных породах 5 почвы ( или кровли}, для герметизации можно применять жидкость, вязкость которой только в 3-10 раз превышает вязкость рабочей жидкости. В этом сл чае используют, например, сульфитспиртовую барду (сев), углещелочной реагент (УЩР), полиакриламид (ПАА) концентрацией менее 0,5%, хромолигно сульфаты (например, окзил) вязкостью до 20%. В случае необходимости регулирования вязкости жидкости.в герметизационной камере на участке Ср ) изменяют концентрацию добавок вводят соли и реагенты, которйе повьшают или понижают вязкость герметизируюющего раствора. Введение хлористого натрия концентрации 1-20% приводит к значительному снижению вязкости. Добавки ССБ и УЩР понижают вязкость ра створа, особенно КЩ. Введение в раствор крахмала щелочи вызывает клейстеризацию и резко повышает вязкость герметизирующей жидкости. Гидравлическую обработку пласта начинают с напорного нагнетания ра бочей жидкости в пласт. После запол. нения жидкостью трещин и пор, когда давление нагнетания стабилизируется и расход рабочей жидкости становится небольшим или близким к нулю, осу ществляют импульсное нагнетание жидкости. Импульсы высокой энергии генерируют, например, установкой взрывогидроимпульсного воздействия. За счет реализации во взрывной камере средства беспламенного взрывания (патронов, гидрокс; адокс), в столбе рабочей жидкости генерируют ударные волны, раскрывают имевшиеся в пласте трещины или образовывают новые, и одновре менно, вслед за ударной волной, в образовавшуюся сеть трещин подают рабочую жидкость газообразными продуктами химргческой ре акции гидрокса (адокса). При взрыве средства беспламенного взрывания продукты химической реакции заряда гидрокс (адокс, прорывая диафрагму на выходе взрывной камеры, устремляются по трубе 6 в сква жину. В момент среза диафрагмы в сто бе, жидкости, заполнившей скважину и трещины в прилегающем к ней массиве, формируются ударные волны. Напря жения, возникаюш,ие в породе вследствие действия ударных волн, приводят к раскрытию имевшихся в пласте трещи и созданию новых. Газообразные про9дукты взрыва, вылетая из ствола 6, в свою очередь, оказывают динамическое воздействие на столб маповязкой рабочей жидкости, заполнившей скважину и трещины в массиве. Энергия газо-. образных продуктов расходуется, в оснйвном, на образование и раскрытие трещин в пласте, фильтрацию жидкости в массиве. Частично энергия расширяющихся продуктов взрывной реакции гидрокса ( адокса расходуется также на перемещение подпружиненного поршня 12 по трубе 6 в направлении к устью скважины. Через скользящий по трубе поршень энергия импульса передается и на более вязкую жидкость, размещенную в затрубном пространстве на участке герметизации скважины. С повышением давления жидкости в скважине ускоряется фильтрация мало- . вязкой рабочей жидкости 11 на обрабатываемом участке скважиш и вязкой жидкости 9 на участке герметизации. Однако ввиду .большой вязкости герметизирующей жидкости, последняя, перекрывая устья трещин в массиве и на контакте массива с узлом цементной обвязки устья скважины , фильтруется в весьма незначительном количестве, раскрытие трещин на участке герметизации скважины практически исключа ется, создается барьер для рабочей жидкости и газообильных продуктов на пути их движения к устью скважины. Герметизация скважины достигается вследствие плотного заполнения вязкой жидкостью устьев трещин как в нарушенной, так и ненарушенной (на участке герметизации) зоне пласта. При этом заполнение устьев трещин тем полнее, чем больше величина импульса, передаваемого на поршень 12. Таким образом обеспечивается саморегулирующий режим герметизации скважины во время гидроимпульсного воздействия на горный массив. Фильтрация маловязкой рабочей жидкости на обрабатываемом участке скважины протекает в высоком темпе. При этом в зависимости от свойств масси ва, вида жидкости и параметров гидрообработки можно раскрывать малочисленную сеть трещин, увеличивая их зияние, или создавать разветвленную частую yt сеть более мелких трещин. На первом этапе обработки пласта создают сеть крупных трещин, чтобы увеичить радиус воздействия, на втором этапе - разветвляют сеть трещин, а на третьем - осушают скважину и крупные трепщны от жидкости, чтобы интенсифицировать процесс дегазации пласта. После дегазации, осуществляемой в течение нескольких месяцев, массив угля подвергают Повторной обработке с целью изменения физико-механических свойств угля (уменьшить пылеобразование при выемке угля и устранить выбросоопасность пласта). Параметры гидрообработки (давление во взрывной камере и на выходе из ствола установки, объем газообразных продуктов, продолжительность импульса и период обработки) определяют экспериментально в зависимости от свойств обрабатываемого горного массива и цели гидроимпульсного воздействия (например, либо, образование сети тре удин для эффективной дегазации, либо последующее за дегазацией изменение физико-механических свойств угля как дополнительная мера по устранению выбросоопасности и для снижения пылеобразования). Параметры обработки изменяют путем регулирования объема взрывной камеры, веса заряда, давления газообразных продуктов в момент выброса их из камеры и ствола, скорости истечения газов из ствола, соотношения вязкостей рабочей и герметизирующей жидкостей, хода разделяющего лшдкости поршня, а также измене1тя ( точнее выбора ) длины и диаметра скважины. Реализация способа может быть осу ществлена, например, с помощью известной взрывогидроимпульсной установки ПермНИУИ-1 с камерой регулируемого объема (3000-5000 см-), зарядо от 0,27 до 1,9 кг и давлением газообразных продуктов в камере 5005000 кгс/см . Объем газов в этом слу чае составляет 2,0-13,5 м . Давление газа на выходе ствола регулируют гео метрией внутренней полости ствола за счет профилированных труб (составных частей ствола), изменяю1чих пара. метры воздействия взрывных газов на столб жидкости в скважине (для поддержания более высокого давления газов на выходе ствола применяют комфузорную форму, а для более высокой скорости истечения газов и меньшего давления - диффузорную) Чем больдге заряд, меньше объем взрывной камеры и устойчивей диафраг ма (диск), тем больше давление газо898 образных продуктов, больше величина импульса (при условии постоянства фазы сжатия), жестче воздействие на пласт, больше создается трещин. Более эффективную для импульсного воздействия на угольный массив удлиненную волну формируют конструктивными параметрами установки (форма конуса камеры и стволаJ толщина, форма и давление среза диафрагмы; пружинящее торможение хода поршня) и выбором соотношения вязкостей жидкостей для герметизации и рабочей жидкости. Причем использование упомянутых Bfamje жидкостей в указанных пределах проницаемости обрабатываемого массива ход поршня составит 0,5-4 см на каждый метр заполненного вязкой жидкостью участка скважины (за весь период обработки, включая нагнетание жидкости в пласт в напорном и импульсном режимах). Вследствие большого гидравлического сопротивления трещин по мере проникновения в них вязкой (герметизирующей) жидкости жесткость системы поршень - жидкость - массив по мере воздействия импульса давления возрастает.3а счет преодоления гидравлического сопротивления трещин вязкой жидкостью при ее фильтрации в массив под давлением импульса происходит амортизация ударной нагрузки и снижение ее амплитуды. Варьируя вязкостью герметизирующей жидкости можно в пределах 10030% изменять жесткость амортизирующей системы и тем самым перераспределять энергию взрыва средства беспламенного взрывания, затрачиваемую на фильтрацию и на образование новой системы трещин. Чем жестче амортизирующая система поршень - жидкость массив, тем большая доля энергии взрыва затрачивается на создание сети искусственных трещин. И наоборот, чем податчивей амортизирующая система, тем большей рабочей жидкости проникает в пласт в режим§ фильтрации, увлажняя его. В первом случае ход поршня за время обработки составит 0,5-1 см, во втором - 3-4 см на каядый метр участка герметизации, длина которого 10-20 м ( реже 2025 м ). После каждого цикла воздействия, когда давление газообразных продуктов снижается до давления напорного (статического) нагнетания рабочей жидкости в пласт, осуществляют замену диафрагм. во взрывной камере, нагнетают в скважину рабочую жидкость до стабилизации давления нагнетания и производят очере ное взрывание заряда. При необходимости, перед началом цикла воздействия, в затрубное пространство скв жины добавляют вязкую жидкостьдля герметизации. Объем взрывной камеры, количеств патронов гидрокс (адокс) и давление газообразных продуктов определяют исходя из горногеологических условий, свойств пласта, цели воздействия. Регулирование объема и давления газов осуществляют количеством патронов гидрокс и металлических (или пластмассовых) вкладьше После первого и второго этапов обработки пласта, завершаемых по ис течении запланированных циклов воздействия (закачка в пласт проектного количества рабочей жидкостиJ созда .ние сообщающейся межскважинной сети трещин), вязкую жидкость герметизац сливают, убирают установку и скважину подключают к дегазационной системе. Каптаж газа ведут в течени времени, предусмотренном проектом на дегазацию выемочного участка. За тем в такой же последовательности циклов воздействия подают в пласт рабочую жидкость, предназначенную для изменения физико-механических свойств угля. Параметры воздействия определяют экспериментально или рас четным путем. Обработку пласта на третьем -этапе можно осуществлять также с помощью обычных средств напорного нагнетания жидкости в пласт При необходимости, если предварительно создана сообщающаяся сеть трещин между скважинами, закачку жид кости на третьем этапе производят одновременно через группу скважин. В качестве рабочей жидкости для обработки пласта на третьем этапа принимают, например, водомаслянные эмул сии, водные растворы жидкого стекла хлористого натрия, хлористого кальция, водные растворы поверхностнои химически-активных веществ и др. Объем жидкости определяют из расчета достижения 5-6% влажности угля в массиве. Предлагаемый способ гидравлической обработки угольного пласта позво ляет сократить затраты времени на герметизацию скважин гидроразрьша (операции по герметизации и гидроразрыву совмещены во времени), что дает возможность экономить от 3 до 5 суток на каждой скважине гидроразрьгеа. Затраты средств на герметизацию сокращаются в 3-7 раз, йоскольку затраты -идут только на обсадку устья скважины (длина 4-10 м), которая к тому же используется для последующего (после гидроразрыва) подсоединения скважины к дегазационной сети нет необходимости в обсадке скваживы трубно-цементным мостом на 3040 м, как это делается при известных способах гидроразрыва угольных пластов). Улучшение качества герметизации позволяет повысить эффективность гидроразрыва не менее, чем на 30-50%. Формула изобретения Способ проведения гидравлической обработки угольного пласта, включаюющий бурение в угольный пласт скважины, Герметизацию,ее устья, герметизацию скважины на глубину, необходимую для осуществления гидроразрына угольного пласта, нагнетание в угольный пласт рабочей жидкости в напорном и импульсном режимах с помощью специальных средств подачи жидкости, осуществление гидроразрыва угольного пласта путем гидроимпульсного воздействия на него, удаление воды из скважины и трещин и каптаж газа из угольного пласта, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности .дегазации угольного пласта путем повьпаения газоотдачи упольного пласта за счет управляемого изменения его физико-механических свойств, а также уменьшения экономических затрат на герметизаций скважины, гидравлическую обработку угольного пласта до осуществления процесса удаления воды из скважины и трещин производят в два этапа, управляя силой гидроимпульсного воздействия, создавая на первом этапе сеть крупгых трещин, на втором - разветвляя сеть крупных трещин системой мелких трещин, предварительно перед нагнетаием рабочей жидкости в угольный ласт в скважину вводят трубу-ствол пециального средства подачи жидко