Способ дегазации угольных пластов

 

Изобретение относится к угольной промышленности и может быть использовано при добыче метана как для его промышленного использования, так и для дегазации разрабатываемых угольных пластов. Сущность дегазации угольных пластов включает бурение скважины, ориентированный поинтервальный гидроразрыв в направлении от забоя к устью скважины, удаление рабочей жидкости и отсос газа. Скважинами пробуривают дегазируемый массив, определяют прочность на растяжение слоев пород, вмещающих пласты угля, а трещины гидроразрыва совпадают в породах почвы и кровли каждого пласта. Места заложения трещин гидроразрыва выбирают с учетом прочности пород на растяжение расположенного рядом слоя. Интервалы гидроразрыва могут быть увеличены в направлении от угольного пласта. Повышается уровень безопасности при выемке пласта. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к угольной промышленности и может быть использовано при добыче метана как для его промышленного использования, так и для дегазации разрабатываемых угольных пластов с целью обеспечения безопасных условий труда горнорабочих.

Известен способ дегазации углепородного массива, заключающийся в бурении с поверхности направленной скважины до пласта и далее по пласту, поинтервальный гидроразрыв угольного пласта с формированием газогидропроводного коллектора, бурение вертикальной скважины в нижний по падению пласта интервал гидроразрыва и откачку жидкости и газа из всей зоны обрабатываемого массива (А. с. СССР N 1448078 Кл. E 21 F 5/00, 1987 г.). К основным недостаткам известного способа дегазации следует отнести высокую трудоемкость, связанную с необходимостью бурения направленных скважин по каждому угольному пласту, низкую эффективность дегазации в связи с отсутствием отвода газа из вмещающих пород и осложнения при выемке пласта вследствие значительных разрушений его при гидроразрывах и создании коллекторов.

Известен также способ дегазации свиты угольных пластов, заключающийся в том, что бурят группу скважин, в которые в режиме гидроразрыва закачивают рабочую жидкость, производят гидроразрыв по углю до сбойки скважин и создания сообщающейся системы, а затем откачивают рабочую жидкость по скважине, забой которой наиболее низко расположен по падению нижнего пласта свиты, а газ - по остальным скважинам (А.с. СССР N 1566046 Кл. E 21 F 7/00, 1989 г).

К недостаткам известного способа следует отнести невысокую эффективность дегазации вмещающих пород, т.к., как показали исследования, трещины гидроразрыва практически не переходят из менее прочного в более прочные слои и, в лучшем случае, могут развиваться только по контакту их. К основному недоставку известного способа следует отнести также и то, что в процессе гидрорасчленения сильно нарушается угольный пласт, что затрудняет его последующую отработку, возникает опасность прорывов больших объемов воды в выработки и повышенного метановыделения при вскрытии полостей гидроразрыва.

Предлагаемый способ дегазации предусматривает минимальное нарушение угольных пластов, предназначенных для последующей выемки.

Сущность способа заключается в том, что скважинами перебуривают дегазируемый массив, определяют прочность на растяжение слоев пород, вмещающих угольных пласт, а места заложения трещин гидроразрыва выбирают во вмещающих породах из условия σ_pi-1≅σ_pi , где σ_p - прочность слоев пород на растяжение, МПа; i - порядковый нормер слоя, по которому производят гидроразрыв, в направлении от пласта угля.

Новым в способе является также и то, что для ориентации градиентов нарастания проницаемости и снижения прочности массива в сторону угольного пласта интервалы гидроразрыва увеличивают в направлении от угольного пласта.

Таким образом, системы газопроводящих трещин, в основном, формируются во вмещающих породах с минимальным нарушением угольного пласта. Выполнение условия выбора места заложения трещин гидроразрыва обеспечивает развитие их в сторону дегазируемого пласта и параллельно ему, т.е. создается эффективная газодренажная система в кровле и почве пласта угля.

На чертеже представлена схема осуществления способа дегазации углепородной толщи с помощью скважин с поверхности.

Дегазируемый массив представлен двумя пластами угля и вмещающими их породами - алевролитами и различными песчаниками.

С поверхности в массив бурят вертикальную скважину 1 на глубину, превышающую глубину залегания самого нижнего пласта 2. Скважину обсаживают трубой 3 до глубины, ниже которой начинаются интервалы гидроразрыва. Поинтервальный ориентированный гидроразрыв осуществляется в направлении от забоя скважины к ее устью. Первая серия трещин гидроразрыва приурочена к пласту 2 и имеет цель - дегазацию пласта и вмещающих его пород. Для выбора мест заложения трещин гидроразрыва определяют прочность на растяжение отобранных образцов пород. На основании лабораторных исследований установлено, что слои пород ниже пласта имеют следующую прочность на растяжение: слой I мощностью 6 м - σ^I_p слой II мощностью 18 м - σ^I_p^I , причем σ^I_p^I < σ^I_p .

Величина первого интервала гидроразрыва вблизи пласта угля должна находиться в пределах 3 - 5 м. С учетом вышеизложенного место заложения трещины гидроразрыва ниже пласта 2 выбирается в стенке скважины 1 на расстоянии 3 м от почвы пласта по более прочному слою I. В слое II гидроразрыв не производится, т.к. трещины будут ориентироваться в сторону от пласта, что не способствует его дегазации.

При выборе интервалов гидроразрыва и места заложения трещин выше пласта 2 учитываются следующие данные: слой I мощностью 3 м - σ^I_p слой II мощностью 10 м - σ^I_p^I слой III мощностью 30 м - σ^I_p^II , причем σ^I_p < σ^I_p^I < σ^I_p^II .

Исходя из приведенных выше условий, место заложения первой трещины гидроразрыва выше пласта 2 выбирается в слое II при величине первого интервала гидроразрыва 5 м. Место заложения второй трещины гидроразрыва выше пласта 2 выбирается в слое III при величине интервала 10 м. Аналогично проводится выбор места заложения трещин и интервалов гидроразрыва для пласта 4.

Для выполнения гидроразрыва участок скважины выше и ниже места гидроразрыва 5 герметизируется с помощью пакеров 6, и на стенке скважины создают концентрации растягивающих напряжений или заранее прорезают зародышевую щель. Рабочую жидкость насосом 7 типа АН-700 или УН1-630-700А по ставу труб 8 подают в межпакерное пространство и поддерживают темп нагнетания на уровне, обеспечивающем давление в жидкости на устье скважины
P_н= 0,025·H+0,15·σ_сж, МПа,
где
H - глубина заложения трещины гидроразрыва, м;
σ_сж - предельное напряжение на одноосное сжатие образца породы, залегающей на интервале гидроразрыва, МПа.

При снижении давления жидкости в результате гидроразрыва увеличивают вязкость жидкости и снова поднимают давление до расчетной величины. Циклы нагнетания повторяют до закачки расчетного объема жидкости, определяемого по формуле:
Q_г = 0,5 · R_эф, м³,
где
R_эф - эффективный радиус гидроразрыва, м.

За счет снижения прочности слоев пород на растяжение по направлению к пласту для угля трещины гидроразрыва, в основном, распространяются в сторону пласта с выходом на контакт его с породами и параллельно пласту.

Если выше или ниже угольного пласта породный массив имеет постоянную прочность, то для ориентации системы трещин в сторону пласта интервалы гидроразрыва увеличивают в направлении от пласта. В результате нарушения массива системой трещин с увеличивающейся в сторону пласта плотностью его прочность несколько снижается в направлении к угольному пласту и трещины гидроразрыва будут ориентироваться в сторону меньшей прочности, т.е. в сторону угольного пласта. Кроме того, увеличение плотности сетки газопроводящих трещин в направлении угольного пласта способствует его полнейшей дегазации. Таким образом, со стороны почвы и кровли пласта после завершения гидроразрыва по всем интервалам создается газопроводящий коллектор, сообщающийся с пластом и скважиной. Откачку рабочей жидкости из скважины производят вакуумной насосной установкой 9 по трубопроводу 10. После отделения от жидкости газ направляют потребителю. Способ позволяет увеличить интенсивность дегазации угольных пластов и массива и сократить сроки дегазации с 6 - 8 до 2 - 3 мес. При этом угольный пласт находится вне зоны интенсивного гидроразрыва и не разрушается, что повышает безопасность его отработки после окончания процесса дегазации.

Аналогично вышеприведенному примеру предлагаемый способ может быть осуществлен из подземных горных выработок.

Формула изобретения

1. Способ дегазации угольных пластов, включающий бурение скважины, ориентированный поинтервальный гидроразрыв в направлении от забоя к устью скважины, удаление рабочей жидкости и отсос газа, отличающийся тем, что скважинами перебуривают дегазируемый массив, определяют прочность на растяжение слоев пород, вмещающих пласты угля, а трещины гидроразрыва создают в породах почвы и кровли каждого пласта, при этом места заложения трещин гидроразрыва выбирают из условия

где σ_P - прочность пород на растяжение, МПа;
i - порядковый номер слоя, по которому производят гидроразрыв, в направлении от пласта угля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интервалы гидроразрыва увеличивают в направлении от угольного пласта.

РИСУНКИ

Рисунок 1