Способ дегазации угольного пласта

 

Изобретение относится к горному делу, в частности к проблеме дегазации угольных пластов. Сущность изобретения: горизонтальные и наклонные буровые каналы по угольному пласту используются для дегазации. Новым в способе является огневое расширение буровых каналов путем противоточного перемещения по ним очага горения. Предлагаются технологические режимы, оптимизирующие процесс использования созданных коллекторов для извлечения метана. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к дегазации угольных пластов, осуществляемой с целью извлечения и улавливания содержащегося в них метана, обеспечивающих, с одной стороны, безопасную работу шахт (взрывы, выбросы) и, с другой стороны, утилизацию ценного углеводородного топлива.

Известен способ дегазации угольного пласта с помощью различных скважин (наклонных, горизонтальных, веерных и др.), пройденных как из выработок и камер, так и с поверхности [1] Такие скважины оборудуются вакуумно-отсосной системой как сразу же после бурения, так и после проведенного через них гидравлического разрыва угольного пласта. Однако ограниченная поверхность фильтрации этих искусственных коллекторов обуславливает малые притоки к ним угольного метана, а следовательно, большие сроки требуемой дегазации. Последнее решение американской фирмы "Енрот" [2] заключающееся в закреплении щелей гидроразрыва в процессе их создания с помощью специальных твердых заполнителей (песок), с одной стороны,отличается малой управляемостью направлением щели гидроразрыва и, с другой стороны, ограниченным притоком к ним угольного метана.

Наиболее близким техническим решением является бурение вертикально-наклонной скважины для дегазации угольного пласта на шахте им.А.А.Скочинского [3] При этом наклонная часть скважины пройдена в почве угольного пласта и по ее длине были проведены гидроразрывы с угольным пластом. Однако и этот известный способ имеет недостаток, обусловленный ограниченной поверхностью фильтрации, а следовательно, малым притоком к ней угольного метана.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса путем роста притока метана к искусственным коллекторам с повышенной поверхностью фильтрации.

Цель достигается тем, что в известном способе дегазации угольного пласта, заключающемуся в бурении с поверхности направленных и вертикальных скважин, осуществлении через них гидравлического разрыва угольного пласта и отсосе после этого фильтрующегося к созданным искусственным коллекторам угольного метана, соединяют пробуренную с поверхности направленную и вертикальную скважины между собой методом гидравлического разрыва угольного пласта, разжигают угольный пласт в вертикальной скважине при закрытой пробуренной с поверхности направленной скважине, затем после падения давления на вертикальной скважине дутье постепенно переводят в направленную скважину, а вертикальную открывают для отвода продуктов горения угольного пласта, затем контролируют гидравлическое сопротивление горизонтального угольного канала в ходе противоточного перемещения по нему очага горения, завершение которого под колонну направленной скважины фиксируют по установлению минимального значения гидравлического сопротивления прорабатываемого угольного канала.

После завершения проработки бурового угольного канала обе скважины используют для извлечения метана, притекающего к стенкам термически проработанного искусственного коллектора. В качестве дутья в предлагаемом способе используют воздух, обогащенный кислородом от 21 до 96% Для интенсивного растрескивания поверхности термически проработанного коллектора его охлаждают приточной или проточной водой. Для большего охвата площади разрабатываемого угольного пласта упомянутые пробуренные с поверхности направленные скважины соединяют между собой в различные фигуры.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с известными показывает, что заявляемый способ отличается тем, что дегазацию угольного пласта осуществляют через термически проработанные протяженные буровые каналы с трещиноватыми стенками и благодаря этому большой поверхностью фильтрации угольного метана. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Известны технические решения [3] в которых используют длинные буровые каналы. Однако осуществление через них только гидроразрыва не позволяет добиться заметного увеличения поверхности искусственных коллекторов. В заявляемом же техническом решении достигают не только качественного, но и заметно количественного эффекта в создании больших поверхностей фильтрации метана. Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "существенные отличия". Термическая обработка буровых угольных каналов с соответствующим контролем за ее осуществлением обеспечивает повышенный приток угольного метана к ним, а следовательно, эффективную дегазацию угольного месторождения, а также снижение его выбросоопасности.

На фиг. 1, 2 представлена принципиальная схема пары скважин, поперечный разрез, на горизонтальном (фиг.1) и наклонном (фиг.2) угольных пластах; на фиг.3 гидравлическая характеристика процесса термической проработки длинного бурового канала в угольном пласте; на фиг.4 возможная система модулей, показанных на фиг.1, охватыващая угольные месторождения по площади (в плоскости угольного пласта).

Предлагаемый способ дегазации угольных пластов реализуется следующим образом.

На угольный пласт 1, подлежащий дегазации, в горизонтальном (фиг.1) или наклонном (фиг. 2) залегании бурят с поверхности направленные скважины 2. В зависимости от конкретных условий эти скважины могут иметь вертикальные или наклонные стволы. Необсаженная часть 3 этих скважин может быть выполнена горизонтальной (фиг.1) или наклонной. На дальние концы направленных скважин 3 бурят вертикальные или наклонные скважины 4, которые обсаживаются колонной до входа в угольный пласт. Скважины 4, как правило, соединяют с буровым каналом 3 методом гидроразрыва угольного пласта согласно известной и освоенной технологии. После промывки щели и бурового канала водой угольный пласт в забое скважины 4 разжигают, при этом скважина 2 закрыта. Одновременно с падением давления дутья (воздуха) на головке скважины 4 дутье постепенно переводится в направленную скважину 2, а вертикальная скважина 4 открывается для отвода продуктов горения угля. Очаг горения начинает перемещаться в скважину 2 дутью.

На фиг. 3 показан пример огневой проработки бурового угольного канала, осуществляемого на постоянном расходе дутья. В процессе проработки угольного канала фиксируют величину его гидравлического сопротивления ΔР Р₂ ΔР₂ ΔР₄, где Р₂ давление дутья на головке скважины 2; ΔР₂ гидравлическое сопротивление обсаженной части скважины 2; ΔР₄ гидравлическое сопротивление колонны скважины 4.

По мере перемещения очага горения по каналу 3 навстречу дутью его гидравлическое сопротивление естественно падает, так как диаметр проработанного канала 3, прилегающего к скважине 4, увеличивается. Как только очаг горения переместится под колонну направленной скважины 2, гидравлическое сопротивление ΔР стабилизируется и становится практически постоянным.

Практически на каменноугольном пласте Киселевского месторождения горизонтальный буровой канал диаметром 146 мм и длиной 120 м был проработан таким образом на среднем расходе 1240 м³/ч воздушного дутья за 72 ч, при этом средний диаметр проработанного канала стал равным 800 мм.

Такой искусственно созданный коллектор, стенки которого испещрены многочисленными и глубокими трещинами, является эффективной дреной для угольного метана. Скважины 2 и 4 могут после этого оборудоваться для извлечения (отсасывания) метана.

В качестве дутья при огневой проработке буровых каналов и, в случае необходимости, последующего выгазования угольного пласта для создания больших свободных объемов используют воздух, обогащенный кислородом от 21 до 96% Применение обогащенного кислородом воздуха благоприятствует интенсификации огневой проработки буровых каналов, а также более глубокому прогреву их стенок, а следовательно, приводит к более протяженным трещинам.

Интенсивному трещинообразованию в стенках проработанного канала содействует активной их охлаждение. Это достигается заполнением объемов горения угольного пласта (проработанных буровых каналов) водой. Для этого может быть использована как подземная вода, так и вода, нагнетаемая с поверхности. Последующая продувка этих объемов воздухом содействует извлечению метана. Полезно периферийное заводнение угольного пласта, что благоприятствует "выдавливанию" метана в искусственные коллектора.

Предлагаемый способ может применяться не только для дегазации угольного месторождения (как предварительной, так и в ходе отработки угольных пластов), но и для разгрузки определенных его участков, в том числе предотвращающей опасность выбросов. В связи с этим изображенные на фиг.3 пары скважин 2 и 4 могут объединяться в различные фигуры. На фиг.4 в качестве примера изображено одно из таких сочетаний. Специально разработанная технология для такого сочетания позволит термически проработать все буровые каналы 3.

Использование предлагаемого способа дегазации угольного пласта обеспечивает по сравнению с существующими проработками следующие преимущества.

Создание искусственного коллектора с большой боковой поверхностью фильтрации обеспечивает приток метана, а следовательно, эффективную дегазацию угольного пласта.

Удельный расход воздушного дутья на огневое расширение бурового канала в угольном пласте составляет всего лишь 700-900 м³/п.м. (давление до 5 бар).

Эффективная дегазация угольного пласта согласно предлагаемому способу возможна как через скважины, пробуренные с поверхности, так и через скважины из подземных выработок.

Становится реально выполнимой задача колоссальной социальной значимости предотвращение взрывов метана в шахтах.

Существенно возрастают возможности по утилизации угольного метана.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА, заключающийся в бурении с поверхности направленных и вертикальных скважин, осуществлении через них гидравлического разрыва угольного пласта и отсосе после этого фильтрующегося к искусственным коллекторам метана, отличающийся тем, что соединяют пробуренную с поверхности направленную скважину по угольному пласту и вертикальную скважину между собой методом гидравлического разрыва угольного пласта, разжигают угольный пласт во второй из них при закрытой первой скважине, затем после падения давления на вертикальной скважине дутье постепенно переводят в направленную скважину, а вертикальную открывают для отвода продуктов горения угольного пласта, затем контролируют гидравлическое сопротивление бурового канала по угольному пласту в ходе противоточного перемещения по нему очага горения, завершение чего фиксируют по стабилизации гидравлического сопротивления прорабатываемого по угольному пласту канала, после этого обе скважины используют для извлечения притекающего к термически проработанному коллектору метана.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дутья используют воздух, обогащенный в различной степени кислородом.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что термически проработанный коллектор активно охлаждают приточной и проточной водой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4