Способ подземной газификации свиты газоносных угольных пластов

Способ подземной газификации свиты газоносных угольных пластов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке пологих и наклонных газоносных угольных пластов путем совместного проведения дегазации массива и газификации угля. Способ может быть эффективно применен при разработке угольных месторождений с кондиционными и некондиционными запасами при газоносности угольных пластов выше 8-10 м³/т.

Известен способ разработки свиты газоносных угольных пластов, включающий дегазацию с отсосом метана на одних панелях и газификацию или сжигание угля на других, ранее дегазированных панелях с последующим смешиванием метана с генераторным газом (патент РФ №2100588, кл. Е21В 43/295, опубликован в 1997 г.). Сущность известного способа заключается в том, что панели последовательно подвергают сначала дегазации, а затем газификации.

К недостаткам известного способа в первую очередь следует отнести то, что эффективность дегазации неразгруженного от горного давления угольного пласта не превышает 15-20%, а применение гидроразрыва ведет к разрушению дегазационных скважин в зоне угольного пласта и невозможности использовать их в дальнейшем для газификации.

Другим недостатком является то, что над газогенератором образуется зона разгрузки, где наблюдаются повышение проницаемости массива, а наличие избыточного газового давления в газогенераторе приведет к утечкам на поверхность метана и генераторного газа, что снижает эффективность разработки и ухудшает экологическую ситуацию.

Частично указанных недостатков не имеет способ комплексной разработки угольного пласта, включающий совмещение процессов дегазации и газификации через систему одних и тех же скважин (патент РФ №2251000, кл. Е21F 7/00, опубликован в 2005 г., БИ №12). Сущность известного способа заключается в том, что по угольному пласту бурят систему скважин и через них осуществляют гидродинамическое и огневое воздействие на угольный пласт. Процесс дегазации производят посредством термической проработки каналов по углю противоточным перемещением очага горения после розжига угольного пласта в одной из скважин. Затем нагнетают нейтральный газ в систему гидравлически связанных скважин, производят тушение воспламененной зоны и извлекают угольный метан из нескольких скважин, оборудованных для дегазации, а процесс газификации осуществляют после дегазации посредством повторного розжига через специально пробуренную скважину и нагнетания дутья в направленные обсаженные скважины.

Основным недостатком известного способа является низкая эффективность дегазации, так как термическая проработка буровых каналов не обеспечивает разгрузку массива, тем более при отработке свиты пластов. Кроме того, известная технология предусматривает только совмещение операций по подготовке к дегазации и газификации, а сами операции проводят последовательно, причем газификацию разделяют на два этапа с нагнетанием нейтрального газа для тушения огневого фронта. Это требует значительных затрат времени и оказывает отрицательное влияние на эффективность способа.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности разработки свиты газоносных угольных пластов путем совмещения процессов дегазации и газификации.

Предложен способ подземной газификации свиты газоносных угольных пластов, включающий бурение скважин с поверхности, подготовку и розжиг подземного газогенератора по нижележащему угольному пласту с отводом генераторного газа и дегазацию вышележащего массива с отводом метана на поверхность и последующим смешиванием его с генераторным газом.

Отличием предложенного способа является то, что дегазацию массива ведут из зоны разгрузки одновременно с газификацией нижележащего угольного пласта, причем скважины для дегазации массива бурят с поверхности до почвы верхнего в свите угольного пласта с образованием над газогенератором газоулавливающего свода.

Газоулавливающий свод может быть создан в породах кровли верхнего пласта путем образования через пробуренные дегазационные скважины трещин гидроразрыва, ориентированных в сторону пласта, или непосредственно в угольном пласте, например, путем гидроразрыва его через пробуренные скважины.

Отличием является также то, что газификацию нижележащего угольного пласта осуществляют через вертикальные скважины, пробуренные с поверхности, которые затем используют для дегазации массива.

Предложенный способ позволяет значительно сократить сроки отработки свиты газоносных угольных пластов пологого и наклонного залегания за счет совмещения в одном участке работ по дегазации и газификации и использования эффекта разгрузки массива при проведении под ним газификации. Создание газоулавливающего свода над подземным газогенератором обеспечивает возможность улавливания и отвода не только метана, выделяющегося из угольных пластов и породного массива, но и утечек газа из газогенератора вследствие повышенного давления в его огневом забое. Таким образом, данный способ позволяет исключить или значительно снизить выделение в атмосферу больших объемов газов и защитить экологию региона.

Сущность изобретения поясняется примером его осуществления и чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема выполнения способа, на фиг.2 - общий вид газогенератора, на фиг.3 общий вид газогенератора при использовании для его работы вертикальных скважин.

Свиту пологих или наклонных газоносных угольных пластов 1, 2, 3 и 4 отрабатывают в восходящем порядке, начиная с нижележащего пласта 1, с помощью подземной газификации угля (ПГУ). Угольный пласт 1, подлежащий первоочередной газификации, подготавливают скважинами 5 и 6, пробуренными с поверхности, причем скважины 5 являются дутьевыми, а скважины 6 - газоотводящими. При использовании буровой установки направленного бурения скважины, обслуживающие ПГУ, бурят направленными, при этом вертикально-криволинейные части скважин бурят по породам, а пологие или наклонные - по пласту. В каждом газогенераторе дутьевые скважины 5 располагают между газоотводящими 6 с расстоянием между соседними скважинами 20-50 м в зависимости от свойств пласта. В нижнюю часть пласта с поверхности бурят вертикальные розжиговые скважины 7, а также вертикальную водоотливную скважину 8.

При отсутствии станков направленного бурения дутьевые и газоотводящие скважины бурят вертикальными с поверхности рядами через 15-20 м.

При наличии направленных скважин технология ПГУ включает розжиг огневого забоя 9 путем сбойки, например, с помощью гидроразрыва дутьевых и газоотводящих скважин 5,6 и подачи через розжиговые скважины 7 горючего материала и зажигательного элемента, а через скважины 5 - дутьевого реагента.

При использовании вертикальных дутьевых и газоотводящих скважин их последовательно соединяют между собой известными методами (гидроразрыв, пневморазрыв и т.д.), при этом панели имеют размеры 200×200 м. Газификация такой панели может начинаться в одной или нескольких заходках 10. При последовательной отработке заходок в первой бурят дутьевую и газоотводящую скважины, производят их сбойку, розжиг и газификацию заходки. После отработки первой заходки бурят дутьевую скважину 5 второго ряда и осуществляется газификация второй заходки и т.д. В работе может находиться несколько заходок в зависимости от необходимого объема газа. После отработки заходок вертикальные газоотводящие скважины могут быть использованы для дегазации массива.

При подвигании огневого забоя на месте угольного пласта 1 образуется выгазованное пространство 11, заполненное обрушенными породами кровли, над которыми формируется зона разгрузки 12, ограниченная со стороны линии огневого забоя плоскостью, восстающей под углом сдвижения ψ. В зоне разгрузки повышается проницаемость подработанного массива за счет его разрушения, расслоения, растрескивания и уменьшения горного давления, а также происходит интенсивная естественная дегазация угольных пластов и вмещающих пород. Дутьевой реагент подают в газогенератор под избыточным давлением (0,3-3,0 МПа), поэтому в подработанном массиве образуется перепад газового давления в сторону дневной поверхности. В результате этого будут происходить утечки выделившегося из подработанного массива метана и газа ПГУ и дренаж их на дневную поверхность. Если не использовать дополнительных мероприятий по предотвращению выделения в атмосферу указанных газов, то применение способов ПГУ становится с вступлением в действие условий Киотского протокола просто невозможным по экологическим и экономическим факторам.

Предложенный способ предусматривает отвод восходящих потоков метана и газа ПГУ путем образования в верхней части свиты угольных пластов над газогенератором газоулавливающего свода.

Это достигается тем, что на верхний пласт отрабатываемой свиты бурят с поверхности до почвы пласта вертикальные дегазационные скважины 13. Расстояние между дегазационными скважинами принимают 100-300 м, т.к. радиус действия каждой из них в зоне разгрузки составляет 50-150 м. Через указанные скважины выполняют серию ориентированных гидроразрывов (1-3 гидроразрыва из каждой скважины). Газоулавливающий свод при определенных свойствах угольного пласта (крепость, мощность, нарушенность) может создаваться непосредственно в угольном пласте без гидроразрыва или в виде сообщающихся между собой ориентированных трещин гидроразрыва. В общем случае газоулавливающий свод образуют в породах кровли верхнего в свите пласта с использованием изобретения по патенту РФ №2117764.

Предварительно определяют прочность на растяжение слоев пород, вмещающих угольный пласт, и места заложения трещин 14 гидроразрыва выбирают во вмещающих породах из условия:

σ_pi-1≤σ_pi,

где σ_р - прочность слоев пород на растяжение, МПа;

i - порядковый номер слоя, по которому производят гидроразрыв, в направлении от дегазируемого пласта угля.

Выполнение данного условия выбора места заложения трещин гидроразрыва обеспечивает ориентированное развитие их в сторону пласта и параллельно ему, т.е. создается при их соединении эффективная газодренажная система в кровле угольного пласта.

Газоулавливающий свод создают путем проведения над зоной нахождения газогенератора серии ориентированных гидроразрывов из дегазационных скважин, для чего в стенках каждой скважины в выбранном месте нарезают кольцевую зародышевую щель 15, участок скважины с зародышевой щелью герметизируют и подают под давлением жидкость. После образования трещин гидроразрыва жидкость удаляют и скважины подключают к газоотсасывающим установкам 16 и общему магистральному дегазационному трубопроводу 17. В результате этого в массиве создается перепад газового давления в сторону газоулавливающего свода, который улавливает восходящие потоки выделяющегося метана и газа ПГУ. В магистральном трубопроводе 17 происходит смешивание с основным объемом газа ПГУ и полученная газовая смесь направляется потребителю.

Предложенный способ подземной газификации свиты газоносных угольных пластов позволит повысить эффективность их разработки за счет совмещения процессов дегазации и газификации, увеличить полноту удаления метана и газа ПГУ и исключить утечки их на поверхность.

1. Способ подземной газификации свиты газоносных угольных пластов, включающий бурение скважин с поверхности, подготовку и розжиг подземного газогенератора по нижележащему угольному пласту с отводом генераторного газа и дегазацию вышележащего массива с отводом метана на поверхность и последующим смешиванием его с генераторным газом, отличающийся тем, что дегазацию массива ведут из зоны разгрузки одновременно с газификацией нижележащего угольного пласта, причем скважины для дегазации массива бурят с поверхности до почвы верхнего в свите угольного пласта с образованием над газогенератором газоулавливающего свода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газоулавливающий свод создают в породах кровли путем образования через пробуренные скважины трещин гидроразрыва, ориентированных в сторону пласта.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газоулавливающий свод создают в верхнем в свите угольном пласте путем гидроразрыва его через пробуренные скважины.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что газификацию нижележащего угольного пласта осуществляют через вертикальные скважины, пробуренные с поверхности, которые затем используют для дегазации массива.