Способ гидроразрыва горных пород

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для подготовки угольного пласта для скважинной отработки. Обеспечивает исключение возможности переувлажнения массива, подвергающегося гидроразрыву, уменьшение энергоемкости процесса гидроразрыва. Способ включает бурение скважины и подачу в нее под давлением взвеси, содержащей жидкость и нерастворимый в ней тонкодисперсный материал. После бурения в скважину вводят и фиксируют обсадную трубу, перфорированную на пересекающих пласт участках. В качестве жидкости используют жидкий диоксид углерода, который нагревают с помощью горячего газа, подаваемого в скважину, или с помощью источника электрического тока. Клеммы источника подключают к металлической обсадной трубе для инициирования перехода из жидкого состояния в газообразное. Перед нагревом жидкого диоксида углерода скважину герметизируют выше участка, подлежащего гидроразрыву. 1 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для подготовки угольного пласта для скважинной отработки.

Известен способ гидроразрыва горных пород, включающий пропитку массива водой в пульсирующем режиме при давлении, меньшем уровня гидроразрыва, для ослабления структуры пласта, подвергающегося гидроразрыву, между двумя скважинами и последующее нагнетание воды в одну из скважин под давлением гидроразрыва, до резкого возрастания дебита воды через нагнетательную скважину (см. Справочник горного инженера, М.: Недра, 1982 г., с.308).

Недостаток этого решения - повышенное заводнение массива, переувлажнение полезного ископаемого, что существенно осложняет последующие работы в условиях, требующих низкой влажности полезного ископаемого (например, при газификации угля или сланца) или требует последующей сушки добываемого материала.

Известен также способ гидроразрыва горных пород, включающий бурение скважин и подачу в них под давлением взвеси, содержащей жидкость и не растворимый в ней тонкодисперсный материал (см. Горная энциклопедия, т.2. М.: Советская энциклопедия, 1986, с.35-36).

Недостатком этого технического решения является переувлажнение массива и необходимость использования мощного нагнетательного оборудования, при высоком расходе электроэнергии.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является исключение возможности переувлажнения массива, подвергающегося гидроразрыву, уменьшение энергоемкости процесса гидроразрыва.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в сохранении исходного уровня увлажненности массива в процессе его гидроразрыва, исключении необходимости использования высоконапорного нагнетательного оборудования, обеспечении возможности утилизации CO₂ как отхода процесса газификации. При этом в случае использования предлагаемого способа гидроразрыва как технологического процесса технологии газификации, обеспечивается повышение полноты использования углерода в составе объема горючих газов за счет конверсии CO₂ в CO).

Для решения поставленной задачи в способе гидроразрыва горных пород, включающем бурение скважины и подачу в нее под давлением взвеси, содержащей жидкость и нерастворимый в ней тонкодисперсный материал, после бурения в скважину вводят и фиксируют обсадную трубу, перфорированную на пересекающих пласт участках, а в качестве жидкости используют жидкий диоксид углерода, который нагревают с помощью горячего газа, подаваемого в скважину или с помощью источника электрического тока, клеммы которого подключают к металлической обсадной трубе, для инициирования перехода из жидкого состояния в газообразное, причем перед нагревом жидкого диоксида углерода скважину герметизируют выше участка подлежащего гидроразрыву.

Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков заявляемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак "...в качестве жидкости используют жидкий диоксид углерода..." исключает возможность водонасыщения массива полезного ископаемого, кроме того, используемое вещество легко конвертировать (восстановить) до горючего газа.

Признак "...жидкий диоксид углерода... нагревают с помощью горячего газа, подаваемого в скважину или с помощью источника электрического тока, клеммы которого подключают к металлической обсадной трубе..." обеспечивает повышение давления до уровня, превышающего давление подачи жидкости за счет фазового перехода из жидкого в газообразное состояние.

Признак «...перед нагревом жидкого диоксида углерода скважину герметизируют выше участка подлежащего гидроразрыву...» обеспечивает повышение эффективности использования энергии расширяющегося газа, особенно при условии неодновременного превращения в газ объемов жидкого диоксида углерода, распределенного по массиву.

Заявленное изобретение рассматривается на примере разрыва угольного пласта.

На чертеже схематически показан разрез через участок массива, подвергнутый гидроразрыву. На чертеже показаны нагнетательная 1 и отводящая 2 скважины, пласт угля 3, обсадные трубы 4 скважин 1 и 2, источник 5 жидкого CO₂, газоразделительная установка 6, источник 7 жидкости для гидроразрыва, теплогенератор 8, герметизатор 9 и щелевидная полость 10.

Заявленный способ целесообразно использовать на станциях подземной газификации, что позволяет отбирать для реализации способа диоксид углерода, содержащийся в отходящих газах с подземных газогенераторов, работающих на станции.

В качестве источника 5 жидкого CO₂ используют установку сжижения CO₂ (известной конструкции), подключенную к источнику газообразного CO₂, в качестве которого может использоваться газоразделительная установка 6 известной конструкции для разделения газовых продуктов процесса газификации, обеспечивающая отделение CO₂ из отходящих газов.

В качестве источника 7 жидкости для гидроразрыва используют герметичные смесители с термостатированными охлаждаемыми емкостями, обеспечивающие производство взвеси из дисперсного материала, обладающего плавучестью в жидкости CO₂ (это может быть древесная мука или дисперсный сухой лед).

В качестве теплогенератора 8 используют либо газотурбинную установку, сжигающую полученный газ (продукт газификации) с выработкой пара или электроэнергии, либо источник электрического тока известной конструкции, клеммы которого (на чертеже не показаны) могут подключаться к металлической обсадной трубе 4 скважины и обеспечивать ее обогрев.

Способ осуществляют следующим образом.

Бурят несколько скважин с поверхности до залежи угля. Затем в скважины вводят и фиксируют обсадные трубы 4, участки которых, пересекающие пласт угля, перфорируют известным образом. Нагнетание взвеси, содержащей жидкий диоксид углерода и нерастворимый в ней тонкодисперсный материал, например, древесную муку, производят через одну из пробуренных скважин под давлением 25-30 МПа в установленном режиме. Затем скважину перекрывают герметизатором 9, в качестве которого используют пакер известной конструкции, обеспечивающий возможность подачи через него горячего газа, и осуществляют подачу названного газа (при использовании в качестве теплогенератора источника электрического тока, подключаемого к металлической обсадной трубе 4 скважины, пакер должен только перекрывать внутреннее пространство трубы).

Вследствие разогрева до температуры фазового перехода жидкий CO₂ переходит в газообразное состояние, что приводит к резкому росту давления в скважине и естественных трещинах массива, заполненных жидким CO₂. Это, в свою очередь, приводит соответственно к разрушению угольного массива.

Описанное воздействие при необходимости повторяется многократно. Свидетельством сбойки скважин является появление в свободной скважине CO₂. Созданная между скважинами протяженная щелевидная полость 10 формирует в угольном пласте зону повышенной трещиноватости и газопроницаемости, разгруженную от горного давления. При этом зона пониженных напряжений развивается во времени и распространяется вглубь массива, т.е. происходит его самоподдерживающееся разрушение.

Способ гидроразрыва горных пород, включающий бурение скважины и подачу в нее под давлением взвеси, содержащей жидкость и нерастворимый в ней тонкодисперсный материал, отличающийся тем, что после бурения в скважину вводят и фиксируют обсадную трубу, перфорированную на пересекающих пласт участках, а в качестве жидкости используют жидкий диоксид углерода, который нагревают с помощью горячего газа, подаваемого в скважину или с помощью источника электрического тока, клеммы которого подключают к металлической обсадной трубе для инициирования перехода из жидкого состояния в газообразное, причем перед нагревом жидкого диоксида углерода скважину герметизируют выше участка, подлежащего гидроразрыву.