Способ дегазации угольного пласта

 

Изобретение относится к угольной промышленности и может быть использовано для повышения безопасности горных работ. Цель - повышение эффективности дегазации. Способ включает бурение скважин, нагнетание жидкости в угольный пласт в режиме гидрорасчленения, определение величин максимального и установившегося давления гидрорасчленения пласта, выдержку жидкости в пласте и оттеснение ее из фильтрующих пор и трещин путем нагнетания в пласт воздуха или инертного газа. Темп нагнетания воздуха или газа должен обеспечивать поддержание давления нагнетания не больше максимального и не меньше установившегося значения давления гидрорасчленения пласта. Объем нагнетаемого газа определяется из математического выражения, учитывающего мощность пласта, радиус гидрорасчленения, фильтрующую проницаемость пласта, давление гидрорасчленения и неравномерность обработки пласта. После пневмооттеснения жидкости скважина работает в режиме извлечения газа из пласта. Способ позволяет повысить фазовую проницаемость пласта.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 151 1 435 A 1 (5Н 4 Е 21 F 7/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A BTOPCH0IVIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 .(21) 4306754/23-03 (22) 18.09.87 (46) 30.09.89. Бюл. Р 36 (71). Московский горньп» институт (72) Н.В. Ножкин, С.В. Сластунов, В.М. Карпов и А.И. Буханцов (53) .622.807(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 635249, кл. Е 21 F 5/00, 1978.

Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с ос»»овными опасностями в шахтах.

Под общей ред.акад.В.В. Рокевского.

М.: Недра, 1984, с. 170-174. (54) СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНОГО

ПЛАСТА (57) Изобретение относится к угольной промып»пенности и может быть использовано для повышения безопаснос-. ти горных работ. Цель - повышение эффективности дегазации. Способ включает бурение скважин, нагнетание жидкости в угольный пласт в режиме

Изобретение относится к горной, преимущественно угольной промьппленности, и может быть использовано для борьбы со взрывоопасным газом в угольных шахтах.

Цель изобретения — повышение эффективности дегазации.

Способ дегазации угольного пласта осуществляют следующим образом.

Бурят скважину с дневной поверхности и вскрывают ею угольный пласт, после чего производят его гидрорасчленение путем нагнетания рабочей жидкости, например воды, что привогидрорасчленения, определение величин максимального и установившегося давления гидрорасчленения пласта, выдержку жидкости в пласте и оттеснение ее из фильтрующих пор и трещин путем нагнетания в пласт воздуха или инертного газа. Темп нагнетания воздуха или газа должен обеспечивать поддержание давления нагнетания не больше максимального и не меньше установившегося значения давления гидрорасчленения »»ласта. Объем нагнетаемого rasa определяется из математического выражения, учитывающего мощность пласта, радиус гидрорасчленения, фильтрующую проницаемость пласта, давление гидрорасчленения и неравномерность обработки пласта.

После пневмооттеснения жидкости скважина работает в режиме извлечения газа из пласта. Способ позволяет повысить фазовую проницаемость пласта. дит к раскрытию, расширению и объединению в единую гидравлическую систеяу, ориентированную к скважине, естественных трещин пласта. В процессе гидрорасчленения фиксируют значение максимального давления гидрорасчленения пласта P „,и его установившееся значение Р, . Воду в пласте выдерживают для завершения процесса замещения метана водой в сорбционном объеме, после чего вода оттесняется из раскрытых трещин и пор путем нагнетания в пласт воздуха или инертного газа под давлением, большим или

О = (iÁ Н m — K К мз (1) 15

/ Ps

° Ь ð 1 2 где Р „с,.<, Р Р„, значение давления гидрорасчленения пласта, MIIa 20 барометрическое давление, MIIa р адиус гидр ор а счленения, м; моцность пласта, м; фильтрующая пористость пласта по возP духу

K = 1, 2-1, 8 коэффициент неравномерности зоны обработки; 35

К = 1,4-2,0 коэффициент, учитывающий скорость движения рабочей жидкости в .пласте за счет физико-химических сил взаимодействия в системе уголь — жидкость — 40 газ. После чего воздух выдерживают в пласте в течение интервала времени, равного времени снижения давления в скважине до величины, превышающей в 1,1-1,2 раза величину пластового 45 давления, скважину открывают и откачивают газ из толщи. .

Закачка воздуха в пласт с темпом, обеспечивающим его нагнетание в пласт под давлением Р, находящимся в интервале (1), обусловлено.необходимостью обеспечения режима пневмооттеснения рабочей жидкости из фильтрующих пор и трещин. Известно, что роц сс гидрорасчленения угольного пласта характеризуют такие показатели, как Р, „ „ „, и Р, „,„ . Первый показатель отражает фактическое максимальное давление нагнетания

151143 равным установившемуся давлению в процессе гидрорасчлененпя пласта Р, но не превышающим максимального давления гидрорасчленения Р „yзафикси рованного в процессе гидрорасчленения пласта. Количество нагнетаемого воздуха обеспечивает весь фильтруюций обьем угольного пласта в зоне гидрорасчленения с учетом ее нерав- fp номерности и резерва на возможность частичного возвращения оттесненной воды и определяется по зависимости рабочей жидкости в процессе гидрорасчленения пласта и зависит от целого ряда горно-геологических и горно-механических факторов таких, например, как естественная трещиноватость пласта, пластовое давление, мощность пласта, вязкость рабочей жидкости и ряда других. Для реализации режима пневморасчленения рабочей жидкости воды давления нагнетаемого воздуха в пласте не должно превышать величины Р„ „, иначе нагнетание может привести к пневморасчленению дополнительных систем или разрыву пласта, что являясь само по себе положительным эффектом, не является . елью предлагаемого способа дегазации угольного пласта.

Величина Р„,, характеризует установившееся давление рабочей жидкости в процессе гидрорасчленения угольного пласта. В течение всего периода закачки значительных объемов воды эта величина находится приблизительно.на одном уровне и отражает соотношение сил, обеспечивающих ра-. диальное течение воды по пористотрециноватому пласту, от скважины к периферии, таких как сил воздействия водяных агрегатов, веса водяного столба в скважине, сил сопротивления движению воды, пластового дав.ления и других.

При давлении нагнетания воздуха превышение Р ь Р„ „ позволяет г п, cã обеспечить то же самое или несколько более благоприятное соотношение сил, приложенных к рабочей жидкости, находяцейся в пласте, чтобы обеспечить дальнейшее радиальное течение воды от скважины к периферии, зонт обработки под действием нагнетаемого воздуха, что приведет к замещению в фильтруюцем объеме пласта воды на воздух и повысит фазовую проницаемость пласта для метана, так как. после стравливания давления воздуха путем открытия скважины раскрытые в процессе гидрорасчленения пласта каналы будут служить для выхода метана из пласта на поверхность.

Для того, чтобы освободить от рабочей жидкости всю зону гидрорасчленения, общий объем нагнетаемого воздуха должен определяться по зависимости (Х), физический смысл которой заключается в том, что условием

5 151 повьппения фазовой проницаемости пласта для метана по всей зоне гидрорасчленения является заполнение всего фильтрующего объема зоны обработки воздухом с учетом неравномерности зоны обработки гидрорасчленения (коэффициент К ) и некоторого запаса в виде увеличения зоны оттеснения с учетом того, что после стравливания воздуха из пласта часть воды будет стремиться за счет сил самодвижения и под действием разности пластовых давлений различных зон .пласта вернуться в зону, из которой она была оттеснена (коэффициент К ).

Численные значения коэффициентов К„ и К приведены на основе опыта работ по заблаговременной дегазации угольных пластов более, чем на 10 шахтных полях Донецкого и Карагандинского бассейнов.

Вбздух выдерживается в пласте в течение интервала времени, равного времени снижения давления в скважине до величины, превыппающей в 1,1-1,2 раза величину пластового давления.

Это необходимо для реализации энергии закаченного воздуха на пневмооттеснение воды. Кроме того, это необходимо для того, чтобы снизить до минимума скорость стравливания воздуха из пласта, которая сильно влияет на скорость возврата оттесненной воды к скважине (эжекторный эффект).

Коэффициент 1,1-1,2 снижает время выдержки до разумных пределов в случае полного отсутствия утечек воздуха.

При пневмооттеснении нагретый воздух заполняет раскрытьп при гидрорасчленении фильтрующий объем, однако в различных горно-геологических и горно-технических условиях этот объем отличается от теоретического, так как зависит от природной системы естественной трещиноватости угольного пласта и в направлении основных систем трещин зона трещиноватости превышает расчетную по опыту работ в области гидрорасчленения в 1,2-1,8 раз, что и учитывается коэффициентом К, . Коэффициент К учитывает скорость движения рабочей жидкости в пласте за счет физико-химических сил взаимодействия в системе уголь — жидкость — газ, т.е. эмпирически учитывает увеличение расчетной зоны гид1435 6 рорасчленения за счет сил самодвижения. Эти данные подтверждены многочисленными экспериментальными исследованиями, однако достоверньп» теоретический расчет выполнить не представляется возможным вследствие анизотропии и неоднородности свойств угленосного массива.

В зависимости от приемистости обрабатываемой зоны и времени, вьщеленного для его дегазации, выдержку воздуха в пласте снижают до величины

1, 1-1, 2 от пластового P хотя в идеальном случае его нужно было бы выдерживать до тех пор, пока давление не упадет до величины пластового.

В реальных условиях первоначальное давление после воздействия в пласте составляет (7-8) P и оно снижается до величины (1,1-1,2) P „ в течение 1 -2 мес., а далее до величины

P„„ 8 течение 2-6 мес., поскольку такая выдержка газа в скважине не является целесообразной, так как метан начинает рассредотачиваться в массиве. Диапазон коэффициента 1,11,2 является эмпирическим и обусловлен обобщением накопленного опыта работ по нагнетанию воздуха в пласты через скважины с поверхности.

Пример. После завершения работ по оборудовании скважины гидрорасчленения, ее перфорации и вскрытия угольного пласта проводят его гидрорасчленение. Давление нагнетания рабочей жидкости в пласт, объем и темп закачки определяют по общепринятой методике. При глубине залегания пласта К„, его мощности 8 м, эффективной пористости 3,5, радиус предполагаемой зоны воздействия

175 м, давление нагнетания жидкости

45 составляют соответственно 13 и 11MIa, темп нагнетания 70-90 л/с, а объем нагнетания 3000 м . Нагнетание жидкости производят насосными агрегатами 4АН-700.

После нагнетания расчетного объема рабочей жидкости скважину закрывают на 2-4 мес. для равномерного увлажнения угольного пласта и замещения метана водой в сорбцирнном объ55 еме после чего к скважине подключается 4 компрессора КПУ-16/250, которые закачивают воздух в пласт с общим темпом 64 м /мин, обеспечивающим его нагнетание в пласт под давлением Р

1511435

=. 12 ИПа. По опыту ведения горных работ в зоне соседних, скважин гидрорасчленения коэффициент К, неравномерности отработки зоны и гидрорасчленения составляет 1,4, а коэффициент К вЂ” 1,75.

Общий объем закачиваемого воздуха составляет

0в = 3 14 1 ° 75 8 0 035 12 1 4 "1 75 =10

= 800000 мз

После закачки расчетного объема воздуха скважину закрывают и фиксируют изменение давления по манометру, установленному на скважине. После того, как в течение 14 сут давление упало с 12 до 1,7 MIIa и практически стабилизировалось на этой величине, скважину открыли, после чего в течение 16 мес. вели извлечение газа 20 из пласта в режиме самоистечения, а в последующем при падении дебита газа скважину подключили к вакуумной насосной станции и извлекали газ до подработки скважины горными 25 работами, Преимущества предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в повьппении эффективности дегазации угольного пласта за счет повьппения фазовой проницаемости угольного пласта для метана и за счет осуществления пневмооттеснения рабочей жидкости из фильтрукщих трещин и пор путем нагнетания воздуха с расчетными давлением и объемом. На соседних, сравниваемых скважинах осуществлялось пневмовоздействие путем нагнетания в пласт воздуха одним компрессором КПУ-16/250 с темпом 16 м /мин, 40 давлением 9,5 ИПа и общим объемом

360000 м . Эффективность дегазациибыпа достигнута существенно ниже, что связано с тем, что не был реализован режим пневмооттеснения (воздух 45 не оттеснял воду, а проникал в более мелкие каналы пласта) и общий объем бып недостаточен для обработки всей зоны гидрорасчленения.

Формула и зо брет ения

Способ дегазации угольного пласта, включающий бурение скважин, нагнетание рабочей жидкости в режиме гидрорасчленения, выдержку ее в пласте, оттеснение ее из фильтрукицих пор и трещин путем закачки воздуха и извлечение газа из толщи, о т л ичающий с я тем, что, с целью повьппения эффективности дегазации, в процессе гидрорасчленения определяют величину максимального давления гидрорасчленения пласта и величину установившегося давления в .процессе гидрорасчленения, при этом воздух закачивают под давлением, большим или равным величине установившегося давления в процессе гидрорасчленения, но не превышающим величину максимального давления гидрорасчленения пласта, а объем закачиваемого воздуха (Q ) определяют из математического в выражения уде R, — радиус гидрорасчленения, м;

Н вЂ” мощность пласта, м;

n — фильтрующая пористость плас9 та по воздуху, P — давление нагнетания воздуха; в

Р— барометрическое давление, ю

ИПа;

К, = 1,2-1,8 - коэффициент неравномерности зоны обработки;

K = 1,4-2,0 — коэффициент, учитывакиций скорость движения рабочей жидкости в пласте, причем воздух выдерживают в пласте в течение времени, равного времени снижения давления в скважине до величины, превьппающей в 1,1-1,2 раза величину пластового давления.