Способ герметизации дегазационных скважин

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для дегазации газоносных горных пород при подземной добыче полезных ископаемых, преимущественно угля. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и долговечности герметизации дегазационных скважин. В способе воздухонепроницаемый экран создают за счет заполнения трещины гидроразрыва жидким нетвердеющим составом под давлением не ниже давления сжатия экрана вмещающими горными породами и выше давления воздуха в горной выработке, а в горных породах между воздухонепроницаемым экраном и горной выработкой создают запирающий слой с градиентом порового давления, препятствующим фильтрации воздуха в направлении рабочей части дегазационной скважины. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к горному делу и может быть использовано в дегазации газоносных горных пород при подземной добыче полезных ископаемых, преимущественно угля. Одним из основных элементов дегазации газоносных горных пород является герметизация рабочей части дегазационных скважин от горной выработки, на поверхности которых расположены устья дегазационных скважин. Наличие подсосов воздуха в рабочую часть дегазационных скважин из горной выработки снижает эффективность дегазации и затрудняет промышленное использование откачиваемого углеводородного газа из-за высокого содержания воздуха в продукции дегазационных скважин. Для снижения подсосов воздуха в дегазационные скважины используют различные способы герметизации.

Известен способ герметизации дегазационных скважин по авторскому свидетельству СССР №739246 (МПК Е21F 7/00, опубл. 1980), заключающийся в том, что в скважине на границе обсадки устанавливают герметизатор, а кольцевое пространство между стенкой скважины и обсадной трубой заполняют цементным раствором с полимерными добавками и наносят на слой цемента газонепроницаемый слой из эластичного материала, например используют латекс бутил-каучук. Данный способ обеспечивает надежную герметизацию стенок скважины на участке обсадки и кольцевого пространства между обсадной трубой и стенкой скважины.

Недостатком известного способа является возможность подсосов воздуха в рабочую часть скважины через трещины в массиве в обход обсаженного участка скважины. В зависимости от трещиноватости пород доля этих подсосов может составлять 36-60%.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ герметизации дегазационных скважин по патенту РФ №2108464 (МПК ⁶ Е21F 7/00, опубл. 10.04.1998), включающий обсадку участка скважины и установку герметизатора, отличающийся тем, что перед обсадкой на участке скважины между устьем и местом установки герметизатора производят поинтервальный ориентированный гидроразрыв, а полученные трещины заполняют твердеющим составом, например водными растворами гелеобразующих составов, и создают в окружающем массиве воздухонепроницаемые экраны, после чего производят обсадку скважины и устанавливают герметизатор. Таким образом, в породах на участке между герметизатором и стенкой выработки создают ряд воздухонепроницаемых экранов, препятствующих поступлению воздуха из горной выработки в рабочую часть скважины по трещинам в горном массиве. Использование способа в объеме приведенных признаков позволяет снизить подсосы воздуха и повысить содержание метана в отсасываемой из горного массива смеси, а также уменьшить длину участка герметизации скважины с 7-10 и 1,5-2 м.

Недостатком известного способа по патенту РФ №2108464 является возможность частичного разрушения воздухонепроницаемого экрана после отвердевания заполняющего состава в период эксплуатации дегазационной скважины, например под действием деформационных процессов техногенного и/или природного происхождения, протекающих в массиве горных пород разрабатываемого месторождения, что способствует нарушению герметичности рабочей части дегазационной скважины и увеличению подсосов воздуха в нее. Кроме того, из-за ограниченного времени от начала заполнения экрана до начала отвердевания состава возможно неполное заполнение составом трещины гидроразрыва и связанных с нею фильтрационных каналов, что ведет к частичному перекрытию путей подсоса воздуха во вмещающих горных породах. Кроме того, неравномерное отвердевание состава в объеме воздухонепроницаемого экрана может сопровождаться локальным падением давления состава ниже давления запирания трещины гидроразрыва и схлопыванием полости экрана на отдельных его участках, что ведет к нарушению сплошности и герметичности воздухонепроницаемого экрана.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в повышении надежности и долговечности герметизации дегазационных скважин.

Поставленная задача решается тем, что в отличие от прототипа, воздухонепроницаемый экран создают за счет заполнения трещины гидроразрыва нетвердеющим жидким составом под давлением не ниже давления сжатия экрана вмещающими горными породами и выше давления воздуха в горной выработке, а в горных породах между воздухонепроницаемым экраном и горной выработкой создают запирающий слой с градиентом порового давления, препятствующим фильтрации воздуха в направлении рабочей части дегазационной скважины.

Такая совокупность существенных признаков позволяет повысить надежность и долговечность герметизации дегазационной скважины от горной выработки за счет создания в горных породах между плоскостью воздухонепроницаемого экрана и поверхностью горной выработки запирающего слоя с градиентом порового давления, направляющего фильтрацию флюидов от экрана в сторону горной выработки. При этом исключается фильтрация воздуха из горной выработки в горные породы запирающего слоя по фильтрационным каналам, имевшимся на момент установки герметизатора и/или вновь возникшим под действием деформационных процессов, что обеспечивает повышение надежности и долговечности герметизации рабочей части дегазационной скважины, препятствует подсосу воздуха из горной выработки, обеспечивает получение на выходе дегазационной скважины продукта с высоким содержанием углеводородного газа, тем самым упрощает его дальнейшее использование.

Давление жидкого состава в воздухонепроницаемом экране может быть ограничено сверху значением давления распространения трещины гидроразрыва, что стабилизует размеры воздухонепроницаемого экрана в период эксплуатации дегазационной скважины.

Вязкость жидкого состава перед заполнением трещины гидроразрыва может быть уменьшена, например за счет нагрева жидкости выше температуры вмещающих горных пород, что способствует заполнению трещины гидроразрыва, созданию экрана и запирающего слоя.

После создания воздухонепроницаемого экрана его устье может быть герметизировано твердеющим составом. Герметизация устья экрана препятствует оттоку жидкого состава из экрана в скважину при разбуривании скважины, установке в нее обсадной трубы, установке герметизатора, заполнения твердеющим составом затрубного пространства обсаженного участка дегазационной скважины.

Трещина гидроразрыва может быть заполнена составом из двух или более жидких компонент низкой вязкости, которые смешивают в полости воздухонепроницаемого экрана и образуют жидкость повышенной вязкости, например вязкопластическую жидкость с пределом текучести выше значения, равного $$\frac{225(1-{\nu }^2)}{128R_{0}E}\cdot K_{IC}^2$$ , где Е - модуль Юнга, ν - коэффициент Пуассона и К_IC - вязкость разрушения вмещающих горных пород, a R₀ - радиус воздухонепроницаемого экрана. Низкая вязкость исходных компонент способствует заполнению трещины гидроразрыва, а высокая вязкость получаемой жидкости способствует снижению ее утечек во вмещающие горные породы.

Трещина гидроразрыва может быть заполнена последовательно несколькими различными жидкостями, не смешивающимися друг с другом и обладающими различной проникающей способностью во вмещающие горные породы, причем жидкости закачивают в порядке уменьшения их проникающей способности в горные породы. При этом в горных породах вокруг воздухонепроницаемого экрана может быть создано не менее одного слоя горных пород, пропитанных закачиваемыми жидкостями. Создание дополнительных слоев вокруг экрана из пропитанных жидкостями горных пород повышает герметичность дегазационной скважины.

В период эксплуатации дегазационной скважины давление в экране могут поддерживать за счет подкачки нетвердеющего состава через дополнительную скважину, пробуренную в полость экрана из горной выработки. Подкачка жидкости в полость экрана позволяет компенсировать утечки жидкости в проницаемые вмещающие горные породы в период эксплуатации дегазационной скважины.

Использование способа в объеме приведенных признаков позволит значительно снизить подсосы воздуха в период эксплуатации дегазационной скважины и повысить содержание углеводородных газов в продукции дегазационных скважин, а также уменьшить длину участка герметизации скважины с 1,5-2 до 0,2-0,5 м.

На чертеже приведена схема дегазации массива газоносных горных пород с герметизацией дегазационной скважины по данному способу. Для дегазации массива газоносных горных пород 1 из горной выработки 2 бурят дегазационную скважину 3, на обсаживаемом участке 4 скважины намечают интервал гидроразрыва и место заложения воздухонепроницаемого экрана. В месте заложения экрана применяют известные способы ориентации развития трещины гидроразрыва поперек оси скважины, например, нарезают в стенках скважины концентратор напряжений. Интервал гидроразрыва герметизируют пакерами и осуществляют гидроразрыв по обычной технологии. Гидроразрыв считается завершенным при падении давления в загерметизированном участке скважины и подаче в трещину гидроразрыва 5 расчетного объема рабочей жидкости гидроразрыва или при падении давления рабочей жидкости гидроразрыва и прорыве ее в горную выработку. После завершения гидроразрыва в трещину 5 закачивают нетвердеющий жидкий состав под давлением не ниже давления сжатия экрана вмещающими горными породами и выше давления воздуха в горной выработке и создают воздухонепроницаемый экран 6. В качестве такого состава можно использовать, например, нагретые до 40-90 градусов гидравлические или индустриальные масла или их смеси, вязкость которых значительно снижается при нагреве. Необходимыми свойствами обладают вязкое гидравлическое масло МГЕ-46 В или индустриальные масла средней вязкости с малым индексом вязкости. После заполнения трещины гидроразрыва 5 нагретый жидкий состав низкой вязкости проникает в мелкие трещины и фильтрационные каналы вокруг полости воздухонепроницаемого экрана и создает слой горных пород 7, пропитанных закачиваемыми жидкостями. После остывания состава до температуры вмещающих горных пород вязкость состава увеличивается и на один-два порядка уменьшается его способность проникать в горную породу. Состав сохраняет свойства жидкости не менее нескольких лет, чего вполне достаточно для проведения долговременной дегазации газонасыщенных горных пород в любых горногеологических условиях.

После создания воздухонепроницаемого экрана его устье 8 герметизируют твердеющим составом, обсаживаемый участок 4 скважины 3 разбуривают, устанавливают в него обсадную трубу 9 с герметизатором 10 и заполняют затрубное пространство 11 в месте установки воздухонепроницаемого экрана твердеющим составом.

Фильтрация жидкости из воздухонепроницаемого экрана в горные породы создает между экраном и горной выработкой запирающий слой 12 с градиентом порового давления, направленным от экрана к горной выработке и препятствующим фильтрации воздуха из горной выработки 2 в рабочую часть дегазационной скважины 3. Утечки жидкости в горные породы компенсируют подачей жидкости в полость экрана через дополнительную скважину 13, пробуренную в полость экрана из горной выработки 2. Выход обсадной трубы 9 на устье дегазационной скважины 2 закрывают фланцем с отводящим каналом для откачки смеси углеводородного газа, воздуха и воды вакуумно-насосной установкой 14, отделяющей от смеси воду с помощью водоотделителя 15, и очищенную смесь с высоким содержанием углеводородного газа направляют потребителю. Комбинация таких операций как проведение ориентированного гидроразрыва горных пород, заполнение трещины гидроразрыва нетвердеющим жидким составом под давлением не ниже давления сжатия экрана вмещающими горными породами и выше давления воздуха в горной выработке и создание воздухонепроницаемого экрана поперек оси скважины радиусом до нескольких десятков метров, а также создание в горных породах между воздухонепроницаемым экраном и горной выработки запирающего слоя с градиентом порового давления, препятствующим фильтрации воздуха в направлении рабочей части дегазационной скважины, обсадка скважины и установка герметизатора обеспечивают снижение подсосов воздуха в скважину и концентрацию углеводородных газов в продукции дегазационных скважин, достаточную для промышленного ее использования.

1. Способ герметизации дегазационных скважин, включающий выполнение ориентированного гидроразрыва горных пород, создание в окружающем массиве воздухонепроницаемого экрана, обсадку участка скважины и установку герметизатора, отличающийся тем, что воздухонепроницаемый экран создают за счет заполнения трещины гидроразрыва жидким нетвердеющим составом под давлением не ниже давления сжатия экрана вмещающими горными породами и выше давления воздуха в горной выработке, а в горных породах между воздухонепроницаемым экраном и горной выработкой создают запирающий слой с градиентом порового давления, препятствующим фильтрации воздуха в рабочую часть дегазационной скважины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление жидкого состава в воздухонепрницаемом экране ограничивают сверху значением давления распространения трещины гидроразрыва.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед заполнением трещины гидроразрыва вязкость жидкого состава уменьшают за счет предварительного нагрева выше температуры вмещающих горных пород.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что после создания воздухонепроницаемого экрана его устье герметизируют твердеющим составом.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что трещину гидроразрыва заполняют составом из двух или более жидких компонент низкой вязкости, которые смешивают в полости воздухонепроницаемого экрана и образуют жидкость повышенной вязкости.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что образуют вязкопластическую жидкость с пределом текучести выше значения, равного , где E - модуль Юнга, ν - коэффициент Пуассона и К_IC - вязкость разрушения вмещающих горных пород, a R₀ - радиус воздухонепроницаемого экрана.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что трещину гидроразрыва заполняют последовательно несколькими различными жидкостями, не смешивающимися друг с другом и обладающими различной проникающей способностью во вмещающие горные породы, причем жидкости закачивают в порядке уменьшения их проникающей способности в горные породы.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в горных породах вокруг воздухонепроницаемого экрана дополнительно создают не менее одного слоя горных пород, пропитанных закачиваемыми жидкостями.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в период эксплуатации дегазационной скважины давление в экране поддерживают за счет подкачки жидкого нетвердеющего состава через дополнительную скважину, пробуренную в полость экрана из горной выработки