Регулирование использования сопутствующих продуктов из подземных зон
Изобретение относится к регулированию использования материалов, находящихся под землей или добытых из подземной области, и, в частности, к способу и системе регулирования использования сопутствующих продуктов из подземных зон. Обеспечивает улучшенные способ и систему для регулирования использования сопутствующих подземных продуктов, которые в значительной степени устраняют или упрощают недостатки и задачи, связанные с предыдущими системами и способами. Сущность изобретения: по первому предложенному варианту способа регулирования использования подземных сопутствующих продуктов бурят первую систему скважин в подземной зоне. Первая система скважин последней включает первую сеть дренажных выработок. Извлекают через первую систему скважин сопутствующий продукт из первого объема подземной зоны. Добывают газ из первого объема подземной зоны. Бурят вторую систему скважин в подземной зоне. Вторая система скважин последней включает вторую сеть дренажных выработок. Формируют подземные гидравлические соединения между первой сетью дренажных выработок и второй сетью дренажных выработок. Перемещают сопутствующий продукт из второго объема подземной зоны в первый объем подземной зоны. Добывают газ из второго объема подземной зоны. По второму предложенному варианту способа регулирования использования подземного сопутствующего продукта бурят первую систему скважин в подземную зону. Последняя имеет структурное погружение, в котором первая дренажная система состоит из первой, в основном параллельной падению сети дренажных выработок, простирающейся вверх по восстанию пласта и заканчивающейся на границе первой области. Перемещают сопутствующий продукт через первую систему скважин из первого отрабатываемого объема для обеспечения добычи газа из первого объема. Добывают газ из первого объема через первую дренажную систему. Бурят вторую систему скважин в подземную зону, в которой вторая система скважин включает вторую, в основном параллельную падению пласта сеть дренажных выработок. Последняя простирается вверх по восстанию в подземной зоне до границы первой системы скважин и заканчивается на границе второй дренажной сети. Перемещают сопутствующий продукт через первую систему скважин и вторую систему скважин из второго объема подземной зоны в первый объем подземной зоны. Добывают газ из второго объема подземной зоны через вторую дренажную систему. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 8 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится в целом к регулированию использования материалов, находящихся под землей или добытых из подземной области, и, в частности, к способу и системе регулирования использования сопутствующих продуктов из подземных зон.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Добыча нефти и других ценных ископаемых из подземных зон часто приводит к извлечению воды и других сопутствующих продуктов, которые должны утилизироваться каким-либо способом. Сопутствующая полезному ископаемому вода может быть относительно чистой либо может содержать большие количества минеральных солей или других веществ. Обычно такие сопутствующие продукты просто отводят в поверхностные водотоки, или, если это требуется инструкциями по охране окружающей среды, воды очищают или отводят с большими затратами.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение обеспечивает улучшенный способ и систему для регулирования использования сопутствующих подземных продуктов, который в значительной степени устраняет или упрощает недостатки и задачи, связанные с предыдущими системами и способами. Согласно данному варианту осуществления изобретения, попутная вода, которую извлекают из части подземной зоны при добыче газа или другого углеводорода, может быть возвращена или размещена в пределах подземной зоны для того, чтобы уменьшить объем пластовой воды, который нужно контролировать на поверхности.
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, способ и система для регулирования использования подземных сопутствующих вод основана на ведущей роли силы тяжести, действующей на жидкости в погружающейся подземной зоне, таким образом, что вода, получаемая как сопутствующий продукт добычи содержащегося в угле газа метана, возвращается в подземную зону или накапливается в ней и имеет тенденцию течь по падению пластов через дренажные выработки к предварительно осушенным площадям от площадей текущей разработки.
В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения, дренажные выработки могут включать выработку, которая обеспечивает в основном однородный поток жидкости в пределах подземной площади. Такая дренажная выработка может включать главный ствол, простирающийся от начала площади подземной зоны к дальнему концу площади, и, по меньшей мере, один набор боковых стволов скважин, простирающихся наружу от главного ствола.
Технические преимущества настоящего изобретения включают способ и систему для более эффективного регулирования использования воды, извлекаемой как сопутствующий продукт при разработке газа метана из угольного пласта и добыче других полезных ископаемых. Например, там, где приемлемо возвращение в пласт сопутствующей воды, получаемой при добыче газа или углеводорода, либо сохранение сопутствующей воды в подземных зонах, применение существующего изобретения может уменьшить стоимость и технологические трудности, связанные с регулированием использования сопутствующей воды.
Другое техническое преимущество настоящего изобретения включает создание способа и системы для добычи газа в экологически уязвимых областях. Извлекаемая вода, которая должна быть отделена от полезного продукта, вместо этого может быть оставлена в подземном пространстве. Таким образом, объем извлекаемой воды уменьшается.
Некоторые варианты осуществления изобретения могут не иметь ни одной, иметь одну, несколько или все эти технические особенности и преимущества и/или дополнительные технические особенности и преимущества.
Другие технические преимущества настоящего изобретения будут очевидны для любого специалиста в данной области техники по следующим ниже чертежам, описанию и формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ описание настоящего изобретения приводится со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые детали обозначены одними и теми же позициями и на которых:
Фиг.1 - поперечный разрез, иллюстрирующий формирование дренажной выработки в подземной зоне через сочлененную скважину, пробуренную с поверхности и пересекающую вертикальную скважину с полостью в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 - поперечный разрез, иллюстрирующий добычу сопутствующей воды и газа из дренажной выработки в подземной зоне через вертикальный ствол скважины в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3 - горизонтальная проекция, иллюстрирующая перистую схему дренажа для разработки подземной зоны в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4А-4В иллюстрируют горизонтальную и поперечную проекции первого набора дренажных выработок для добычи газа в условиях погружения подземной зоны в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5А-5В иллюстрируют горизонтальную и поперечную проекции первого набора сети дренажных выработок и второго набора сети дренажных выработок для добычи газа в погружающейся подземной зоне на фиг.4 на этапе разработки (2) в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.6А-6В иллюстрируют нисходящую и поперечную проекции первого и второго набора взаимосвязанных сетей дренажных выработок и третьего набора взаимосвязанных сетей дренажных выработок для добычи газа в погружающейся подземной зоне на фиг.4 на этапе разработки (3) в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.7 иллюстрирует горизонтальную проекцию структуры взаимосвязанных сетей дренажных выработок для добычи газа в условиях погружения подземной зоны, включающей угольный пласт в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.8 - схема операции, иллюстрирующая способ регулирования использования сопутствующих вод в подземных зонах в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показана дренажная система в подземной зоне в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Подземная зона может включать угольный пласт, слой сланца, нефтяной коллектор, водоносный горизонт, геологический пласт или формацию, или другую, особо выделяемую естественную или искусственную зону, которая, по меньшей мере, частично находится ниже поверхности земли, или комбинации множества таких зон. В данном варианте осуществления изобретения подземной зоной является угольный пласт, имеющий угол падения около 0-20 градусов. Следует понимать, что подземные зоны с низконапорными водами, ультранизким давлением, низкой пористостью или с другими показателями можно эксплуатировать аналогично, используя двойную систему дренажных скважин по данному изобретению, чтобы перемещать и/или добывать воду, углеводороды и другие жидкости или обрабатывать полезные ископаемые непосредственно в подземной зоне. Система дренажа включает ствол выработки, обсадную колонну и другое оборудование, а также дренажные выработки, сформированные скважинами.
Согласно фиг.1, в основном вертикальный ствол скважины 12 простирается от поверхности 14 к целевому угольному пласту 15. Вертикальный ствол скважины 12 достигает угольного пласта 15, проникает в него и продолжается ниже него. Вертикальный ствол скважины закреплен соответствующими обсадными трубами 16, башмак которых установлен в угольном пласте или выше его кровли 15. Следует понимать, что наклонные или другие не строго вертикальные скважины могут использоваться вместо вертикальной выработки, если такие скважины пригодны для закачивания сопутствующей воды.
Вертикальность ствола скважины 12 обеспечивается в процессе бурения или угол ее наклона определяется после бурения, чтобы определить точную вертикальную глубину залегания угольного пласта 15 в скважине 12. Возможно использование инклинометра или подобного скважинного инструмента, чтобы подтвердить структурное положение пласта. В результате таких шагов угольный пласт не будет пропущен в других скважинах при проведении комплекса буровых работ и последующих способах, проводимых для определения структуры пласта 15, при которых не используется бурение.
Расширенная полость 18 формируется в вертикальном стволе скважины 12 в интервале залегания угольного пласта 15. Как описано более подробно ниже, расширенная полость 18 обеспечивает соединение при пересечении вертикального ствола скважины стволом сочлененной скважины, служащей для формирования сети восстающих дренажных выработок в угольном пласте 15. Расширяемая полость 18 также служит местом сбора сопутствующей воды, которую отводят из угольного пласта 15 при добыче полезного ископаемого.
В одном варианте осуществления изобретения расширенная полость 18 имеет радиус приблизительно от 0,61 до 2,44 м и вертикальный размер от 0,61 до 2,44 м (от 2 до 8 футов). Расширенная полость 18 формируется с использованием соответствующих способов расширения, оборудования и инструмента для расширения, например, устройства для формирования полости типа пантографа, включающего стандартные резцы, которыми оборудованы два или более шарнирных осевых кронштейна, установленные в скользящей втулке и закрепленные одним концом на бурильных трубах так, что при движении укрепленные во втулке шарнирные кронштейны раздвигаются радиально от центра. Вертикальная часть ствола скважины 12 продолжается ниже расширенной полости 18, формируя отстойник 20 для полости 18.
Сочлененный ствол скважины 22 простирается от поверхности 14 к расширенной полости 18 из вертикального ствола скважины 12. Сочлененный ствол скважины 22 включает вертикальную часть 24, параллельную падению пласта часть 26, и криволинейную часть 28, соединяющую вертикальную и параллельную падению пласта части 24 и 26. Выработка 26, параллельная падению пласта, находится в основном в плоскости восстающего угольного пласта 15 и пересекается с расширенной полостью 18, сформированной из вертикального ствола скважины 12. Следует понимать, что параллельность части 26 границам пласта или ее прямолинейность не является обязательным условием; возможна умеренная угловатость этой части выработки или ее извилистость, что не выходит за рамки настоящего изобретения.
Сочлененный ствол скважины 22 закладывается на достаточном расстоянии от вертикальной скважины 12 на поверхности 14, чтобы обеспечить большой радиус искривленного участка 28 и возможность задать любое желательное направление выработки 26 до пересечения расширенной полости 18. Для того чтобы искривленная часть 28 имела радиус 30,5-45,7 м (100-150 футов), сочлененный ствол 22 необходимо заложить на расстоянии около 91,5 м (300 футов) от вертикальной скважины 12. Этот интервал обеспечивает минимально возможный угол изгиба искривленной части 28 для снижения трения в буре 22 в процессе буровых работ до допустимого уровня. В результате обеспечивается максимальная эффективность действия бурильной колонны при проходке сочлененного ствола 22.
Сочлененный ствол 22 проходится с использованием стандартной бурильной колонны 32, которая включает соответствующий двигатель для бурения наклонной скважины и породоразрушающий наконечник 34. Измерительное устройство 36 включено в бурильную колонну 32 для управления ориентировкой и направлением проходки ствола, пробуренного двигателем и породоразрушающим наконечником 34 для обеспечения пересечения с расширенной полостью 18. Вертикальная часть 24 сочлененного ствола 22 закреплена соответствующими обсадными трубами 30.
После того, как расширяемая полость 18 была успешно пересечена сочлененным стволом 22, бурение продолжается сквозь полость 18 бурильной колонной 32 и буровым снарядом, состоящим из двигателя для бурения наклонной скважины и породоразрущающего наконечника для проходки сети дренажных выработок 38 в угольном пласте 15.
Во время бурения могут использоваться гамма-лучевые геофизические зонды и другие методы контроля и управления движения бурового снаряда, чтобы сохранить расположение сети дренажных выработок 38 в пределах границ угольного пласта 15 и обеспечить в основном однородное покрытие дренажом заданной площади в пределах угольного пласта 15. Дальнейшая информация относительно устройства дренажа описана более подробно ниже при рассмотрении фиг.3.
В процессе бурения сети дренажных выработок 38 буровой раствор или глинистый раствор нагнетается в бурильную колонну 32 и подается из бурильной колонны 32 в область буровой коронки 42, где он используется для промывки пласта и удаления выбуренной породы. Выбуренная порода уносится вверх буровым раствором, циркулирующим в межтрубном пространстве между бурильной колонной 32 и стенками скважины, и подается на поверхность 14, где шлам отделяется от бурового раствора, и затем раствор снова подается для циркуляции. Этот известный буровой процесс обеспечивает создание стандартного столба бурового раствора, высота которого равна глубине скважины 22, и гидростатического давления в скважине, соответствующего глубине.
Учитывая тот факт, что угольные пласты характеризуются определенной пористостью и трещиноватостью, они могут не выдержать такое гидростатическое давление, даже если в угольном пласте 15 присутствует сопутствующая вода. Соответственно, если допустить воздействие полного гидростатического давления на угольный пласт 15, то в результате может произойти утечка промывочной жидкости и шлама в пласт. Такой режим называется бурением при повышенном гидростатическом давлении, при котором давление жидкости в скважине 30 превышает способность пласта выдерживать давление. Потеря промывочной жидкости и шлама убыточна не только из-за прямого ущерба от утраты промывочной жидкости, которая должна быть приготовлена заново, но и потому, что происходит закупоривание пор в угольном пласте 15, которые необходимы для извлечения из угольного пласта газа и воды.
Для предотвращения нарушение баланса условий бурения в процессе проходки сети дренажных выработок 38 устанавливаются компрессоры 40, чтобы подавать сжатый воздух на забой вертикальной скважины 12 и обратно через сочлененный ствол 22. Закаченный воздух смешивается с промывочной жидкостью в кольцевом пространстве вокруг бурильной колонны 32 и стенкой скважины, создавая пузырьки во всем столбе промывочной жидкости. Это приводит к эффекту уменьшения гидростатического давления столба промывочной жидкости и сокращения давления на забое скважины настолько, чтобы не допустить разбалансирования параметров бурения. Аэрация промывочной жидкости понижает давление на забое скважины приблизительно до 9,5 - 13 кг/см2 (150-200 фунтов на квадратный дюйм). Соответственно низконапорные угольные пласты и другие подземные зоны могут быть пробурены без существенной потери промывочной жидкости и загрязнения залежей полезных ископаемых буровым раствором.
Пена, которая может представлять собой смесь сжатого воздуха с водой, может также быть закачена вниз сквозь бурильную колонну 32 вместе с буровым глинистым раствором, чтобы аэрировать промывочную жидкость в кольцевом пространстве для бурения скважины 22 и, если необходимо, при проходке дренажной выработки 38. При бурении сети дренажных выработок 38 с использованием пневмоотбойного бурового долота или пневматического забойного двигателя отработанный сжатый воздух также насыщает промывочную жидкость. В этом случае сжатый воздух, который используется для приведения в действие бурового снаряда, выходит из бурового снаряда, расположенного в наклонной скважине, вблизи породоразрушающего наконечника 34. При этом больший объем воздуха, который можно нагнетать в скважину 12, обеспечивает более эффективную аэрацию бурового раствора, чем это обычно возможно при подаче воздуха через бурильную колонну 32.
Фиг.2 поясняет процесс закачивания сопутствующей воды из восстающей сети дренажных выработок 38 в угольный пласт 15 в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления изобретения после того как пробурены вертикальные и сочлененные скважины 12 и 22 и сети дренажных выработок 38 бурильная колонна 32 извлекается из сочлененной скважины 22 и устье сочлененной скважины герметизируется. В другом варианте ствол скважины может быть вновь вскрыт и использован для бурения других сочлененные скважины.
Согласно фиг.2, впуск 42 расположен в расширенной полости 18 вертикальной скважины 12. Расширенная полость 18, объединенная с отстойником 20, является емкостью для накопления сопутствующей воды, позволяющей вести ее прерывистое откачивание без неблагоприятных эффектов от воздействия гидростатического напора, вызываемого накоплением сопутствующей воды в стволе скважины.
Водоприемник 42 связан с поверхностью земли 14 через систему трубопроводов 44 и может приводиться в действие насосными штангами 46, расположенными в стволе скважины 12. Насосные штанги 46 приводятся в действие аппаратом, установленным на поверхности земли, например штанговым глубинным насосом с балансиром 48. Насос 48 используется, чтобы откачать воду из угольного пласта 15 через сеть дренажных выработок 38 и водоприемник 42.
Когда откачка воды приводит к достаточному понижению давления в угольном пласте 15, высвобожденный из угольного пласта газ поднимается к поверхности 14 сквозь кольцевое пространство вертикальной скважины 12 по системе труб 44 и удаляется через трубопровод, присоединенный к устью скважины. Оголовок 47 скважины 12 и система труб 44 могут служить для удаления газа через отверстие 49. На поверхности метан обрабатывается, сжимается и подается через трубопровод для использования как топливо. Насос 48 может использоваться непрерывно или по мере необходимости.
Как описано в деталях ниже, вода, удаленная из угольного пласта 15, может быть сброшена на поверхность земли или утилизирована за пределами площадки. По другому методу, как приведено далее, вода может быть возвращена в подземную зону через предварительно пробуренную по падению слоя сеть дренажных выработок.
На фиг.3 представлен горизонтальный план, иллюстрирующий в основном параллельную падению слоя перистую сеть дренажных выработок для доступа к залежам в подземной зоне в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления изобретения сеть дренажных скважин включает перистые выработки, которые имеют центральный ствол и в основном симметрично расположенные боковые выработки, простирающиеся от каждой стороны центрального ствола. Используемый здесь термин "каждый" обозначает каждый отдельный элемент из, по меньшей мере, подмножества набора указанных элементов. Перистая система сходна с системой жилок листа или с конструкцией пера в том, что она содержит аналогичные в основном параллельные дополнительные скважины, расположенные в основном на равном расстоянии друг от друга и параллельно на противоположных сторонах оси. Перистая сеть размещения выработок, основанная на центральной скважине и в основном симметрично размещенных на соответствующем расстоянии друг от друга боковых выработках на каждой стороне, образует равномерную систему для дренирования жидкостей из угольного пласта или иного пласта. С такой сетью дренажа 80% или более сопутствующей воды, находящейся в данной зоне угольного пласта, могут быть реально извлечены в зависимости от геологических и гидрогеологических условий. Перистая схема обеспечивает в основном однородное покрытие площади любой формы, в том числе четырехугольной или сеточной площади, и может быть использована до установки крепежа при подготовке угольного пласта 15 для проведения горных работ. Следует понимать, что другие подобные сети дренажных выработок могут использоваться в соответствии с настоящим изобретением.
Согласно фиг.3, расширенная полость 18 задает первый угол площади 50. Перистая схема 38 включает главную скважину 52, простирающуюся по диагонали поперек площади 50 к дальнему углу 54 площади 50. Главная диагональная выработка 52 проходится с помощью бурильной колонны 32 и простирается от сочлененной скважины 22 в направлении расширенной полости 18. Множество боковых скважин 58 простираются от противоположных сторон диагональной выработки 52 к периферии 60 на площади 50. Боковые скважины 58 могут находиться на зеркально противоположных сторонах диагональной выработки 52 или могут ответвляться друг за другом по длине диагональной выработки 52. Каждая из боковых скважин 58 состоит из первой криволинейной части 62, простирающейся от выработки 52, и прямолинейной части 64. Группа боковых скважин 58, расположенных вблизи полости 18, может также включать вторую криволинейную часть 63, сформированную после того, как первая криволинейная часть 62 достигла заданного направления. В данном случае прямолинейная часть 64 сформирована после того, как вторая криволинейная часть 63 достигла заданного направления. Таким образом, первые из боковых скважин 58 возвращаются или поворачивают обратно в сторону увеличенной полости 18 до выхода за пределы участка, расширяя тем самым область дренирования назад в направлении к полости 18, чтобы обеспечить однородное покрытие площади 50. Для обеспечения однородного покрытия квадратной площади 50, в определенном варианте осуществления пары боковых скважин 58 в основном равномерно распределяются на каждой стороне выработки 52 и простираются от ее ствола под углом около 45 градусов. Длина боковых скважин 58 уменьшается в соответствии с увеличением расстояния от расширенной полости 18, чтобы облегчать бурение боковых скважин 58.
Перистая сеть дренажных выработок 38, используя одну диагональную выработку 52 и пять пар боковых скважин 58, может осушить угольный пласт на площади около 60-80 га. Если необходимо дренировать меньшую площадь, или угольный пласт имеет сложную структуру, например длинную, узкую форму или сложную поверхность кровли и подошвы, могут использоваться перистые схемы дренажа с измененным углом боковых выработок 110 к диагональной выработке 52 и ориентации боковых скважин 58. В другом варианте боковые скважины 58 могут быть пробурены только от одной стороны диагональной выработки 52 так, чтобы сформировать полуперистую схему.
Диагональная выработка 52 и боковые скважины 58 сформированы путем проходки сквозь расширенную полость 18 с использованием бурильной колонны 32 и соответствующего бурового инструмента (призабойного двигателя и породоразрушающего наконечника). Во время проходки могут использоваться гамма-лучевые измерительные зонды и другие методы контроля и управления движением бурового снаряда, чтобы сохранить расположение сети дренажных выработок в пределах границ угольного пласта 15, обеспечить в основном однородное покрытие дренажом заданной площади в пределах угольного пласта 15 и сохранить необходимый интервал и ориентацию диагональной выработки 52 и боковых скважин 58.
В особом варианте осуществления диагональная выработка 52 бурится с изгибом в каждой из множества боковых точек сочленения 56. После того, как диагональная выработка 52 пробурена, бурильная колонна 32 возвращается к каждой поочередной начальной точке 56, от которой боковая скважина 110 бурится на каждой стороне диагональной выработки 52. Следует понимать, что перистая сеть дренажных выработок 38 может быть сформирована иным образом в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.4А-4В приведены горизонтальная и поперечная проекции погружающейся подземной зоны, включающей угольный пласт и первую дренажную систему, расположенную в нижней точке подземной зоны по падению в период разработки (1) в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Согласно фиг.4А-4В, погружающийся угольный пласт 66 осушается, из него проводится добыча газа через первую дренажную систему 68, состоящую из сети дренажных выработок 38. Следует понимать, что перистое строение, показанное на фиг.3 или другие аналогичные схемы, могут включать сеть дренажных выработок 38. В особом варианте осуществления изобретения дренажная система 68 формируется из пар систем выработок перистого дренажа 38, как показано на фиг.3, каждая пара имеет главные выработки 56, которые состыковываются в узловой точке по падению пласта. Главные выработки 56 бурятся по восстанию пласта, непараллельно к направлению уклона пласта, так что одна пара боковых скважин 58 простирается в основном параллельно направлению восстания, а другой набор боковых скважин 58 простирается в основном перпендикулярно направлению восстания (т.е. параллельно направлению разработки). Таким образом, сети дренажных выработок 38 в системе 68 формируют существенно однородную область покрытия при разработке угольного пласта.
Вода удаляется непосредственно из угольного пласта, покрытой системой 68, и прилегающих участков через вертикальную скважину 12, как описано в комментарии к фиг.2 или с использованием иных соответствующих средств. Эта вода может быть отведена на поверхность земли или транспортирована для переработки вне площадки. Когда удалено количество воды, достаточное для начала добычи метана, газ начинают добывать через дренажную систему 68, а затем - через вертикальную скважину 12. Скважины, полости дренажных выработок и/или насосы предназначены для откачки воды из первого дренируемого участка и перемещения воды для закачки из других частей угольного пласта 66 или других пород. Количество закачиваемой воды может зависеть от угла и проницаемости пласта, трещиноватости пород и т.п.
Фиг.5А-5В иллюстрируют горизонтальную и вертикальную проекции погружающейся подземной зоны, изображенной на фиг.4 на этапе разработки (2) в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг.5А-5В изображена ситуация, когда на площади, покрытой дренажной системой 68, исчерпаны запасы газа. Этап разработки (2) может начаться через год после этапа разработки (1) или через иной, больший или меньший интервал. Вторая дренажная система 70, состоящая из сети дренажных выработок 38, сформирована вверх по восстанию пласта после отработки дренажной системы 68. Система дренажа 70 сформирована подобной системе 68 так, что сеть дренажных выработок 38 из системы 70 формируют в основном однородную площадь покрытия при разработке угольного пласта.
Ряд подземных гидравлических соединений 72 может быть сформирован для соединения дренажной системы 68 с системой 70. Гидравлические соединения могут включать трубопроводы, сегменты стволов скважин, механически или химически увеличенные нарушения целостности пород, трещины, поры или водопроницаемые зоны, или другие соединения, позволяющие воде перемещаться через подземную зону. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения может использоваться только обработка дренажных вод на поверхности и обратная закачка. В последнем варианте осуществления гидравлическая система может включать трубопровод и резервуары для хранения сопутствующей воды, которые не могут быть связаны постоянно.
Гидравлическое соединение 72 может быть пробурено при использовании скважин системы 68 либо скважины системы 70. Используя силу тяжести, соединение 72 позволяет воде перетекать из дренажной системы 70 в систему 68. Если такой самотек не обеспечивает достаточного оттока воды для добычи газа из системы 70, возможно отводить дополнительную воду к поверхности методом принудительной откачки, которая затем будет возвращена под землю немедленно или после временного хранения в резервуаре и/или обработки. Вода должна быть возвращена в подземный угольный пласт через скважины системы 70, и часть этой воды может перетекать через соединение 72 в угольный пласт через дренажные площади системы 68. Когда удалено достаточное количество воды, начинается добыча газа из системы 70 через вертикальную скважину 12.
На фиг.6А-6В показаны горизонтальная и поперечная проекции погружающейся подземной зоны фиг.4 при этапе разработки (3) в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Согласно фиг.6А-6В, на площади, покрытой системой 68 и системой 70, может быть выработан запас метана. Этап разработки (3) может быть осуществлен через год после этапа разработки (2) или через больший или меньший интервал. Третья система дренажных скважин 74, включающая сеть дренажных выработок 38, формируется вверх по восстанию от верхней точки дренажной системы 70. Система 74 сформирована аналогично системам 68 и 70 таким образом, что сеть дренажных выработок 38 из системы 74 формируют в основном однородное покрытие площади при разработке угольного пласта.
Для объединения дренажных систем 68 и 70 с системой 74 должен быть сформирован ряд подземных гидравлических соединений 76. Соединение 76 может быть пробурено с использованием скважины системы 70 или скважины системы 74. Благодаря действию силы тяжести соединение 76 обеспечивает перетекание воды из системы 74 в системы 68 и 70. Если такой гравитационный переток не обеспечивает достаточного оттока воды для добычи газа из дренажной системы 74, то принудительная откачка может увеличить отток воды на поверхность, которая будет возвращена под землю немедленно или после временного хранения в резервуаре. Вода будет возвращена в подземный угольный пласт через скважины системы 74, а часть воды может перетекать самотеком через соединение 72 и в угольный пласт через системы 68 и 70. Когда удалена часть воды, достаточная для начала добычи метана, начинают добычу газа из системы 74 через вертикальную скважину 12.
Фиг.7 отображает горизонтальную проекцию участка области погружения подземной зоны, включающей угольный пласт, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Согласно фиг.7, газ метан из угольного пласта, погружающегося в южном направлении в области 80, может быть добыт из восьми систем скважин: 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87 и 88. Все системы скважин состоят из 6 диагональных дренажных выработок 38, каждая из которых покрывает площадь приблизительно 60-80 га (150-200 акров). Таким образом, поле 80 покрывает около 2880-3840 га (7200-9600 акров). В этом варианте осуществления дренажная система 81 должна быть пробурена и отработана в течение первого года эксплуатации области 80. Разработка каждой из систем скважин 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87 и 88 может занимать период около года; таким образом, область 80 может быть отработана за восемь лет. По мере необходимости при разработке пласта устраиваются соединения 90 между дренажными выработками 38 из вновь пробуренной системы скважин к предыдущим системам скважин для разгрузки воды, перемещаемой из подземного пространства вокруг недавно пробуренной системы скважин в дренажную систему, находящуюся ниже по падению пласта.
В одном варианте осуществления изобретения для области, включающей множество систем скважин, каждая из которых может включать множество диагональных схем дренажа, покрывающих площадь около 60-80 га (150-200 акров), из подземной зоны могут быть добыты, по меньшей мере, до 80% газа. После начального перемещения и размещения сопутствующего продукта, извлеченного из первой системы скважин, однородность потока жидкости и равномерность схемы дренажа позволяют основную часть сопутствующего продукта утилизировать или закачать в подземную зону.
На фиг.8 приведена блок-схема операций для освоения сопутствующих вод, добытых из подземных зон в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Согласно фиг.8, способ начинается с шага 100, в котором в подземной зоне бурится первая дренажная система. Дренажная система может включать одну или более сетей дренажных выработок и может включать ряд сетей дренажных выработок, устроенных по приведенному выше описанию фиг.4-6. Дренажная система может включать систему двойных дренажных систем, как описано в фиг.1-2, или другую соответствующую дренажную систему.
На шаге 102 вода удаляется из первого участка подземной зоны откачкой на поверхность или другим приемлемым способом. Первый участок подземной зоны может включать часть объема подземной зоны, включая площадь, покрытую дренажными выработками, увеличенной благодаря вертикальной высоте подземной зоны (например, мощности угольного пласта) в пределах данной площади. Вода, удаленная в ходе выполнения шага 102, может быть утилизирована приемлемым методом, например отведена в поверхностные водотоки, если это допускают инструкции по охране окружающей среды, или удалена за пределы площадки.
На шаге 104 газ добывается из подземной зоны, когда достаточное количество воды было удалено из первого участка подземной зоны. На этапе принятия решения 106 определяют, завершена ли добыча газа. Завершение добычи газа может продолжаться месяцы, годы и более. При добыче газа дополнительную воду приходится удалять из подземной зоны. До тех пор, пока добыча газа продолжается, ветвь "Да" шага принятия решения 106 возвращает процесс к шагу 104.
Когда принято решение о прекращении добыча газа (или в других вариантах осуществления изобретения при снижении добычи газа или в связи с иными обстоятельствами), процесс переходит к этапу 108, в течении которого в подземной зоне проходится следующая дренажная система, вверх по восстанию от предыдущей системы скважин. В шаге 110 вода перемещается от следующего объема к предыдущему участку подземной зоны путем откачки или другими методами. Следующий объем подземной зоны может включать часть объема, состоящего из площади, покрытой сетью дренажных выработок недавно пробуренной системы скважин, увеличенной благодаря мощности подземной зоны в пределах данной области.
Перемещение воды из недавно пробуренного объема может быть выполнено путем формирования гидравлического соединения дренажных систем. Если гидравлическое соединение подземное (например, в пределах подземной зоны), в зависимости от геологических условий отток воды может происходить через подземное соединение благодаря силе тяжести, действующей на воду. Чтобы ускорить перемещение воды из предварительно осушаемого объема, частично может быть использована откачка или другие средства.
Дренажную воду из вновь пробуренного объема можно откачивать на поверхность, временно накапливать и затем закачивать в подземную зону через одну из дренажных систем. На поверхности откачиваемая вода может быть временно накоплена и/или переработана.
Следует понимать, что в других вариантах осуществления изобретения откачиваемая вода или другой сопутствующий продукт из следующей дренажной системы могут быть закачены в предварительно осушенные системы скважин не по падению от следующей системы, но вместо этого - вкрест падению или вверх по восстанию от следующей системы. Например, может быть целесообразным закачать воду в предварительно сдренированную дренажную систему вверх по восстанию, если гидрогеологическая проницаемость подземной зоны достаточно низка, чтобы предотвратить быстрое перемещение закаченной воды из дренажной системы, расположенной вверх по восстанию. В таких условиях и в таком варианте осуществления применение данного изобретение позволило бы бурить последовательные системы скважин по направлению падения (вместо последовательного расположения по восстанию, как описано выше при рассмотрении фиг.8) и освоению сопутствующего продукта в соответствии с данным изобретением.
На шаге 112 газ добывается из подземной зоны, если достаточное количество воды было удалено из недавно пробуренного объема подземной зоны. На этапе принятия решения 114 определяется, завершена ли добыча газа полностью. Завершение добычи газа может продолжаться месяцы, год и более. При добыче газа дополнительная вода должна быть отведена из подземной зоны. При необходимости добыча газа продолжается (т.е. способ возвращается к шагу 112).
Если завершение добычи газа из вновь пробуренной дренажной системы произошло по всей площади (т.е. этот ресурсосодержащий участок подземной зоны отработан), то в шаге принятия решения 116 разработка заканчивается. Если вверх по восстанию пласта дальнейшие участки подлежат разработке, то метод возвращается к шагу 108 для дальнейшего бурения, откачки воды и добычи газа.
Хотя настоящее изобретение описано в нескольких вариантах его осуществления, различные изменения и модификации могут быть предложены специалистами в данной области техники. Следует понимать, что данное изобретение охватывает такие изменения и модификации в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.
1. Способ регулирования использования подземных сопутствующих продуктов, включающий:
бурение первой системы скважин в подземной зоне, в которой первая система скважин включает первую сеть дренажных выработок;
извлечение через первую систему скважин сопутствующего продукта из первого объема подземной зоны;
добычу газа из первого объема подземной зоны;
бурение второй системы скважин в подземной зоне, в которой вторая система скважин включает вторую сеть дренажных выработок;
формирование подземного гидравлического соединения между первой сетью дренажных выработок и второй сетью дренажных выработок;
перемещение сопутствующего продукта из второго объема подземной зоны в
первый объем подземной зоны; и
добычу газа из второго объема подземной зоны.
2. Способ по п.1, в котором подземная зона имеет начальное пластовое давление ниже 18 кг/см2.
3. Способ по п.1, в котором подземная зона имеет начальное пластовое давление ниже 10,5 кг/см2.
4. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, одна из дренажных сетей включает главную выработку с множеством боковых скважин.
5. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, одна из дренажных сетей создает в основном однородный поток жидкости в пределах подземной площади.
6. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, одна из сетей дренажных выработок включает главную выработку, простирающуюся от первого конца площади подземной зоны к дальнему концу площади, и, по меньшей мере, один набор боковых скважин, простирающийся наружу от главной выработки.
7. Способ по п.6, в котором длина боковых скважин пропорционально сокращается по мере увеличения расстояния между соответствующей боковой скважиной и первой боковой скважиной.
8. Способ по п.1, в котором подземная зона включает угольный пласт, сопутствующий продукт включает воду, а газ включает заключенный в угольном пласте метан.
9. Способ по п.1, в котором вторая дренажная система направлена в основном вверх по восстанию от первой дренажной системы.
10. Способ по п.1, в котором преобладающее количество сопутствующих продуктов, доступных удалению из второго объема, перемещают из второго объема подземной зоны в первый объем подземной зоны.
11. Способ по п.1, в котором перемещение сопутствующего продукта из второго объема подземной зоны в первый объем подземной зоны осуществляется путем откачки сопутствующего продукта из второго объема на поверхность с последующей закачкой сопутствующего продукта в первый объем.
12. Способ по п.11, в котором закачка осуществляется через насос, впуск которого расположен в расширенной полости, сформированной в скважине, и который откачивает на поверхность жидкость, накопленную в расширенной полости.
13. Способ регулирования использования подземного сопутствующего продукта, включающий:
бурение первой системы скважин в подземную зону, имеющую структурное погружение, в котором первая дренажная система состоит из первой, в основном параллельной падению сети дренажных выработок, простирающейся вверх по восстанию пласта и заканчивающейся на границе первой области;
перемещение сопутствующего продукта через первую систему скважин из первого отрабатываемого объема для обеспечения добычи газа из первого объема;
добычу газа из первого объема через первую дренажную систему;
бурение второй системы скважин в подземную зону, в которой вторая система скважин включает вторую, в основном параллельную падению пласта сеть дренажных выработок, простирающуюся вверх по восстанию в подземной зоне до границы первой системы скважин и заканчивающуюся на границе второй дренажной сети;
перемещение сопутствующего продукта через первую систему скважин и вторую систему скважин из второго объема подземной зоны в первый объем подземной зоны;
добычу газа из второго объема подземной зоны через вторую дренажную систему.
14. Способ по п.13, в котором перемещение включает передвижение жидкости из второго объема к поверхности и воздействие на жидкость для ее движения от поверхности в первый объем подземной зоны.
15. Способ по п.14, в котором поток от поверхности в первый объем подземной зоны подается через первую дренажную систему.
16. Способ по п.13, в котором перемещение включает формирование гидравлического соединения первой, в основном параллельной падению пласта сети дренажных выработок и второй, в основном параллельной падению сети дренажных выработок.
17. Способ по п.13, в котором гидравлическое соединение дренажных сетей является подземным.
18. Способ по п.17, дополнительно включающий:
бурение третьей системы скважин в подземную зону, в которой третья система скважин включает третью часть, состоящую в основном из параллельных падению сетей дренажных выработок, расположенных вверх по восстанию в подземной зоне и простирающихся вверх по восстанию от второй границы; и
перемещение сопутствующего продукта из третьего объема подземной зоны, по меньшей мере, в один из первого и второго объема подземной зоны.
19. Способ по п.18, в котором перемещение включает передвижение к поверхности жидкости из третьего объема подземной зоны и воздействие на жидкость для ее движения от поверхности по меньшей мере до одного из первого и второго объема подземной зоны.
20. Способ по п.19, в котором поток от поверхности до, по меньшей мере, одного из первого и второго объема подземных зон осуществляется через первую или вторую дренажную систему.
21. Способ по п.18, в котором перемещение включает формирование гидравлического соединения между первой в основном параллельной падению сетью дренажных выработок и второй в основном параллельной падению сетью дренажных выработок.
22. Способ по п.21, в котором гидравлическое соединение является подземным.
23. Способ по п.13, в котором, по меньшей мере, одна из в основном параллельных падению сетей дренажных выработок включает главную выработку и множество боковых скважин.
24. Способ по п.13, в котором по меньшей мере одна из в основном параллельных падению схем дренажных выработок обеспечивает в основном однородный поток жидкости в пределах подземной площади.
25. Способ по п.13, в котором, по меньшей мере, одна из в основном параллельных падению сетей дренажных выработок включает главную выработку, простирающуюся от первого конца площади в подземной зоне к дальнему концу площади, и, по меньшей мере, один набор боковых скважин, простирающихся наружу от главной выработки.
26. Способ по п.13, в котором подземная зона включает угольный пласт, сопутствующий продукт включает воду, а газ включает заключенный в угольном пласте метан.
27. Способ по п.13, в котором каждая сеть дренажных выработок охватывает площадь около 60-80 га.
28. Способ по п.13, в котором добывают по меньшей мере 80% запасов газа из первых и вторых объемов подземной зоны и в котором в основном весь сопутствующий продукт из второго объема подземной зоны подается обратно в подземную зону.
