Способ гидравлической обработки угольного пласта

Способ гидравлической обработки угольного пласта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для дегазации угольных пластов с целью добычи метана из угольных пластов для его использования в промышленности и повышения безопасности работ в шахтах. Изобретение также может быть использовано для вскрытия продуктивного пласта при добыче газа.

Известен способ обработки угольного пласта, включающий бурение скважины с поверхности, обсадку ее трубами и герметизацию затрубного пространства, нагнетание рабочей жидкости через скважину в пласт в фильтрационном режиме, сброс устьевого давления жидкости до атмосферного [1]. После гидравлической обработки угольного пласта осуществляют осушение пласта и последующий съем метана из скважины для его промышленного использования. После дегазации пласта производят безопасную выемку угля подземным способом.

Недостатком этого способа являются низкие дебиты метана из продуктивной скважины из-за малой площади распространения рабочей жидкости по угольному пласту и, следовательно, низкой дезинтеграции пласта вблизи скважины.

Известен способ гидравлической обработки угольного пласта, включающий бурение скважины с поверхности, обсадку ее трубами и герметизацию затрубного пространства, подачу рабочей жидкости через скважину в пласт в фильтрационном режиме посредством нагнетательного насоса, гидроимпульсное воздействие жидкости на пласт, сброс устьевого давления жидкости до атмосферного с последующим ее истечением из скважины [2]. Этот способ взят нами в качестве прототипа.

Недостатками данного способа являются: неравномерная дезинтеграция угольного пласта микро- и макротрещинами в различных направлениях вследствие анизотропии прочностных параметров угля и различных величин горного давления по падению и простиранию пласта, что снижает степень дегазации пласта и дебиты скважин; большие объемы потребления рабочей жидкости и высокие удельные энергетические затраты на гидрообработку.

Задачей изобретения является повышение степени дегазации пласта и дебита скважин за счет увеличения степени дезинтеграции угля микро- и макротрещинами в различных направлениях при уменьшении объема потребляемой жидкости и энергетических затрат.

Это достигается тем, что в способе гидравлической обработки угольного пласта, включающем бурение скважины с поверхности, обсадку ее трубами и герметизацию затрубного пространства, подачу рабочей жидкости через скважину в пласт в фильтрационном режиме посредством нагнетательного насоса, гидроимпульсное воздействие жидкости на пласт, сброс устьевого давления жидкости до атмосферного с последующим ее истечением из скважины, одновременно с гидроимпульсным воздействием жидкости на пласт при ее истечении из скважины накапливают гидравлическую энергию потока, создаваемого нагнетательным насосом, в гидроаккумуляторе, затем производят подачу аккумулированной рабочей жидкости в скважину и фиксируют на устье скважины давление этой жидкости, величина которого в процессе его падения не менее величины давления гидроразрыва пласта, после чего режимы истечения рабочей жидкости из скважины и нагнетания ее в пласт повторяют.

Кроме того, что при гидрообработке низкопроницаемых угольных пластов после гидроимпульсного воздействия жидкости на пласт его выдерживают под гидростатическим давлением в течение времени, необходимого для накопления заданной гидравлической энергии в гидроаккумуляторе.

На фиг.1 показана технологическая схема, реализующая предлагаемый способ.

На фиг.2 показан режим гидрообработки угольного пласта.

На фиг.3 показан режим гидрообработки низкопроницаемого угольного пласта.

Способ гидравлической обработки угольного пласта заключается в следующем.

Угольный пласт 1 вскрывают с поверхности скважиной 2, обсаживают ее трубами 3 и осуществляют герметизацию затрубного пространства, например, цементным раствором. Гидрообработку угольного пласта начинают путем подачи в него через скважину 2 рабочей жидкости, например воды, из резервуара 4 посредством нагнетательного насоса 5 и гидроаккумулятора 6 в фильтрационном режиме (см. фиг.1). Этот режим протекает в течение времени t₁ (см. фиг.2) и обеспечивает заполнение свободного пространства пор и трещин в пласте рабочей жидкостью. Процесс гидрообработки пласта в фильтрационном режиме ведут при величине давления жидкости, равной не менее 0,7 от величины давления, при котором происходит гидроразрыв пласта P_p. Величину давления фиксируют устьевым манометром 7. После завершения данной стадии гидравлической обработки пласта прекращают подачу рабочей жидкости в скважину, перекрывая поток жидкости заслонкой 8, и открывают заслонку 9, осуществляя сброс устьевого давления до атмосферного. При истечении жидкости из скважины в течение времени t₂ (см. фиг.2) осуществляют гидроимпульсное воздействие жидкости на пласт с помощью гидроударного устройства 10, например, выполненного в виде циклического прерывателя истекающего потока, и одновременно накапливают гидравлическую энергию потока, создаваемого нагнетательным насосом 5, в гидроаккумуляторе 6. При гидроимпульсном воздействии жидкости на пласт происходит многократная остановка истекающего потока и сброс жидкости в отстойник 11. Сжатие потока, происходящее при его резкой остановке, приводит к гидравлическим ударам, распространяющимся по скважине 2 в угольный пласт 1. Это приводит к росту множества стартовых микротрещин в прискважинной зоне обводненности пласта. Процесс гидроударной обработки пласта ведут в течение времени t₂, при котором амплитуда гидравлических ударов превышает максимальную величину давления жидкости на пласт в фильтрационном режиме. Время t₂, затраченное на гидрообработку угольного пласта при истечении жидкости из скважины, достаточно для накопления необходимой энергии в гидроаккумуляторе при обработке проницаемых пластов. Гидравлическая энергия сжатой жидкости определяется по максимальному давлению в гидроаккумуляторе, величина которого фиксируется с помощью манометра 12. После этого заслонку 9 закрывают, а заслонку 8 открывают, в результате чего рабочая жидкость из гидроаккумулятора 6 в течение времени t₃ под высоким давлением через скважину 2 внедряется в угольный пласт, производя его гидравлическую дезинтеграцию по направлениям стартовых трещин, сформированных при гидроударах. Высокие значения давления рабочей жидкости позволяют реализовать одновременный рост микро- и макротрещин в разных направлениях на участках с различной трещиностойкостью угля и сжатых высоким горным давлением породного массива, что в конечном итоге обеспечивает равномерность гидрообработки вокруг скважины и на большие расстояния.

По мере разряжения гидроаккумулятора 6 в течение времени t₃ давление рабочей жидкости на пласт вначале увеличивается, достигает максимального значения, превышающего давление гидроразрыва пласта Р_р, а затем уменьшается. На стадии падения давления этой рабочей жидкости фиксируют на устье скважины посредством манометра 7 давление, величина которого не менее величины давления гидроразрыва пласта. После этого подачу рабочей жидкости в скважину прекращают и осуществляют сброс жидкости из скважины в гидроимпульсном режиме в течение времени t₃₁. Далее режимы нагнетания рабочей жидкости в пласт и истечения ее из скважины повторяют на каждом n-м этапе (см. фиг.2) до образования в пласте трещин заданной протяженности.

При обработке низкопроницаемых пластов для эффективного раскрытия трещин требуются более высокие энергетические мощности рабочего потока и, соответственно, более длительное время нагнетания рабочей жидкости в гидроаккумулятор 6. При достижении амплитуды гидроударов не менее максимального давления на стадии фильтрации пласт выдерживают под сформированным гидростатическим давлением рабочей жидкости в течение времени t₂₁. На этой стадии гидроаккумулятор 6 заряжают в течение времени (t₂+t₂₁). Чем ниже проницаемость пласта, тем больше времени необходимо для аккумуляции гидравлической энергии рабочей жидкости. Это позволяет осуществлять нагнетание в пласт рабочего потока под большим давлением в течение времени t₃, что обеспечивает более интенсивный рост трещин в низкопроницаемых пластах. При падении давления жидкости в процессе разряжения гидроаккумулятора 6 фиксируют с помощью манометра 7 давление жидкости, величина которого не менее величины давления гидроразрыва пласта. После этого подачу рабочей жидкости в скважину прекращают и осуществляют сброс жидкости из скважины в гидроимпульсном режиме в течение времени t₃₁. 3атем режим гироимпульсного истечения прекращают и осуществляют выдержку пласта под гидростатическим давлением в течение времени t₃₂, при этом суммарное время аккумуляции гидравлической энергии составляет (t₃₁+t₃₂). Далее, на каждом n-м этапе (см. фиг.3) режимы нагнетания рабочей жидкости в скважину, гидроимпульсного истечения ее из скважины и выдержки под гидростатическим давлением жидкости повторяют.

В процессе гидрообработки угольного пласта под большим давлением потребляют меньший объем рабочей жидкости по сравнению с известными технологиями за счет сокращения потерь рабочей жидкости в кровлю и почву при более высоких скоростях движения жидкости в радиальном направлении. Потребляемая гидравлическая энергия используется с более высоким КПД за счет реализации высоких давлений рабочего потока, обеспечивающих интенсивное трещинообразование в пласте.

Пример реализации №1. Моделирование разработанной технологии осуществлено на ЭВМ в соответствии с программой расчета, разработанной в МГГУ. Рассмотрено месторождение Кузнецкого угольного бассейна; шахта «Капитальная». Метаноносный угольный пласт залегает на глубине 250 м. Давление гидроразрыва пласта составляет P_p=8,5 МПа. Тип угля - антрацит, проницаемость более 1 мД. В соответствии с изобретением для гидравлической обработки пласта применяют нагнетательный насос типа СИН-31, обеспечивающий расход жидкости 11,3 л/с и давление до 100 МПа. Насос последовательно подключен к гидроаккумулятору, представляющему собой толстостенный сосуд высокого давления емкостью 20 м³, рассчитанным на рабочее давление до 200 МПа. В качестве гидроударного устройства используют конструкцию, созданную в МГГУ по патенту №2188322. Измерение потока рабочей жидкости и давление в гидроаккумуляторе и на устье скважины осуществляют посредством манометров типа РМ-5322. Из гидроаккумулятора рабочую жидкость нагнетают через скважину в угольный пласт.

Процесс ведут в следующей последовательности. Вначале гидрообработку пласта ведут в фильтрационном режиме, закачивая в пласт рабочую жидкость, воду, с расходом 17,7 л/с. Скважина сначала заполняется водой, формируя гидростатическое давление на пласт величиной 2,5 МПа. Затем давление нагнетания воды насосом и, соответственно, ее давление в пласте постепенно повышается по мере заполнения природных пор и трещин в угольном пласте. Через t₁=10 мин подачи воды давление на устье скважины повышается до 3 МПа, а пластовое давление с учетом гидростатического давления воды составляет 5,5 МПа, которое по величине меньше давления гидроразрыва пласта. Подачу воды в скважину прекращают и осуществляют сброс воды из скважины через гидроударное устройство в гидроимпульсном режиме в течение времени t₂=9 с. Амплитуда гидравлических импульсов давления, фиксируемая устьевым манометром типа РМ-5322, постепенно уменьшается от максимальной величины 8 МПа (пластовое давление 10,5 МПа) в первом гидроимпульсе до завершающего значения 5,5 МПа, что обеспечивает образование стартовых трещин в обводненной зоне пласта. В течение этого же времени, одновременно с гидроимпульсным воздействием, осуществляют с помощью насоса нагнетание воды объемом 160 л в гидроаккумулятор, аккумулируя при этом гидравлическую энергию величиной 1360 кДж. После достижения заданной величины энергии аккумуляции, заслонку 8 открывают, а заслонку 9 закрывают. Вода под высоким давлением в течение t₃=2 с нагнетается в скважину, достигая максимального значения на устьевом манометре 9 МПа (соответственно, пластовое давление порядка 11,5 МПа), превышающем давление гидроразрыва пласта и затем падает до давления 6,3 МПа (пластовое - 8,8 МПа). В течение этого времени вода под высоким давлением внедряется в пласт и осуществляет интенсивное трещинообразование по пути движения, раскрывая сеть трещин. Далее в течение времени t₃₁=9 с осуществляют гидроимпульсное воздействие на пласт и при достижении амплитуды импульсов на устьевом манометре 6,1 МПа (пластовое давление 8,6 МПа) циклы нагнетания воды под высоким давлением и гидроимпульсного воздействия на стадии истечения воды повторяют. После описанного режима гидрообработки осуществляют откачку воды из скважины и извлечение метана.

Длительность процесса гидрообработки составила 200 циклов нагнетания потока и гидроимпульсного воздействия в течение времени 45 мин, что обеспечило формирование зоны гидрообработки пласта эквивалентным радиусом 60 м. Такие радиусы дезинтеграции пласта обеспечивают увеличение дебита скважин в 1,5-2 раза выше по сравнению с базовой технологией.

Пример реализации №2. Моделирование процесса гидрообработки угольного пласта также осуществлено на ЭВМ. На этой же шахте имеется метаноносный никзопроницаемый угольный пласт проницаемостью менее 1 мД, на глубине 450 м. Давление гидроразрыва пласта составляет Р_р=10,5 МПа. В начале гидрообработки пласта в фильтрационном режиме рабочую жидкость подают в течение времени t₁=8 мин, достигая давления на устьевом манометре 5,0 МПа (пластовое давление с учетом гидростатического давления столба воды составляет 9,5 МПа), после чего осуществили сброс устьевого давления жидкости до атмосферного с последующим гидроимпульсным воздействием на пласт при истечении жидкости в течение времени t₂=5 с. При амплитуде давления гидроудара на устьевом манометре 5,5 МПа (пластовое 10,0 МПа) поток перекрыли и пласт выдерживали в статическом режиме под сформированным давлением в течение времени t₂₁=6 с. Суммарного времени (t₂+t₂₁)=11 с достаточно для аккумуляции гидравличесокой энергии потока 1662 кДж (максимальное давление в гидроаккумуляторе 23,8 МПа). Этот поток направляют в скважину под большим давлением в течение t₃=2 с, осуществляя интенсивное трещинообразование данного низкопроницаемого угольного пласта. При разряжении гидроаккумулятора до давления на устьевом манометре 8 МПа (пластовое давление 12,5 МПа), осуществляют гидроимпульсную обработку пласта в режиме истечения потока в течение времени t₃₁=6 с, затем выдерживают пласт под сформированным гидростатическим давлением в течение t₃₂=5 с и далее режимы нагнетания воды под высоким давлением, гидроимпульсного воздействия на стадии истечения воды и гидростатической выдержки пласта под сформированным давлением повторяют.

Длительность процесса гидрообработки составила 400 циклов нагнетания потока и гидроимпульсного воздействия, в течение времени 95 мин, что обеспечило формирование зоны гидрообработки пласта эквивалентным радиусом 65 м. Такие радиусы гидрообработки и дезинтеграции пласта при указанном гидродинамическом режиме воздействия обеспечивают увеличение дебита скважин в 1,5-2 раза выше по сравнению с базовой технологией.

Реализованный режим нагнетания воды под высоким давлением обеспечивает сокращения суммарного объема потребляемой воды почти в 3 раза и снижение удельных энергозатрат на гидрообработку единицы объема пласта более чем в 3 раза.

Источники информации:

1. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. - М.: Изд-во МГГУ, 1996, с.56-60.

2. Патент РФ №2054121 по классу Е21F 7/00 от 29.04.92, Бюллетень №4 от 10.02.96 (прототип).

1. Способ гидравлической обработки угольного пласта, включающий бурение скважины с поверхности, обсадку ее трубами и герметизацию затрубного пространства, подачу рабочей жидкости через скважину в пласт в фильтрационном режиме посредством нагнетательного насоса, гидроимпульсное воздействие жидкости на пласт, сброс устьевого давления жидкости до атмосферного с последующим ее истечением из скважины, отличающийся тем, что одновременно с гидроимпульсным воздействием жидкости на пласт при ее истечении из скважины накапливают гидравлическую энергию потока, создаваемого нагнетательным насосом, в гидроаккумуляторе, затем производят подачу аккумулированной рабочей жидкости в скважину и фиксируют на устье скважины давление этой жидкости, величина которого в процессе его падения не менее величины давления гидроразрыва пласта, после чего режимы истечения рабочей жидкости из скважины и нагнетания ее в пласт повторяют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при гидрообработке низкопроницаемых угольных пластов после гидроимпульсного воздействия жидкости на пласт его выдерживают под гидростатическим давлением в течение времени, необходимом для накопления заданной гидравлической энергии в гидроаккумуляторе.