Способ гидравлического разрыва угольного пласта - RU2730689C1

Описание

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу и может быть использовано при подземной добыче угля для интенсификации дегазации неразгруженного от горного давления угольного пласта методом гидравлического разрыва.

В угледобывающей промышленности широкое распространение получили способы гидравлического разрыва угольного пласта без расклинивания формируемых трещин проппантом, включающие бурение скважины, герметизацию ее интервала и нагнетание в загерметизированный интервал воды с повышением ее давления до образования в пласте трещин, способствующих дренированию угольного пласта, увеличению темпа и степени его дегазации (см. Инструкцию по дегазации угольных шахт от 01.12.2011, №679).

Отказ от использования проппанта приводит к недостаточной, с точки зрения повышения эффективности дегазации угольного пласта, проницаемости формируемых трещин, берега которых смыкаются под действием горного давления. Об этом свидетельствуют полученные результаты опытных работ показавшие, что гидравлический разрыв угольного пласта водой без заполнения трещин проппантом дает лишь кратковременное увеличение дебита дегазационной скважины до 3 раз, но не оказывает практически значимого влияния на извлечение метана скважиной за весь период ее эксплуатации, в то время как расклинивание трещин проппантом повышает дебит дегазационных скважин в 5-180 раз на продолжении нескольких месяцев и способствует существенному увеличению темпа и степени дегазации угольных пластов (см. например: Jeffrey, R.G.; Boucher, С. Sand propped hydraulic fracture stimulation of horizontal in-seam gas drainage holes at Dartbrook Coal Mine. In: COAL2004 Symposium, University of Wollongong; February 4-6 2004; Wollongong. Wollongong: University of Wollongong; 2004. - pp. 169-179).

Указанный недостаток преодолен в способах гидравлического разрыва угольного пласта, в которых в загерметизированный интервал скважины нагнетают под высоким давлением жидкость, несущую гранулы проппанта. Для переноса гранул проппанта нагнетаемая жидкость должна обладать достаточной грузонесущей способностью, что может быть достигнуто за счет применения проппантов низкой плотности, повышения скорости нагнетания жидкости или ее вязкости путем добавок в нее различных загустителей.

Известен способ гидравлического разрыва угольного пласта по патенту РФ №2576424 (МПК Е21В 43/267, опубл. 10.03.2016, бюл. 7), включающий нагнетание в угольный пласт водного раствора соли хлористого калия с проппантом при давлении, достаточном для гидравлического разрыва пласта, с темпом закачки, обеспечивающим создание протяженных трещин, в котором используют 4%-ный раствор соли хлористого калия, в качестве проппанта (расклинивающего агента) кварцевый песок диаметром 40-70 меш, для удержания которого во взвешенном состоянии темп закачки жидкости составляет 4.2 м /мин.

Известны способы гидравлического разрыва угольного пласта по евразийским патентам №015158 (МПК Е21В 43/26, Е21В 43/00, С09К 8/74, E21F 7/00, опубл. 28.04.2009) и №004514 (МПК Е21В 43/26, 43/25, опубл. 30.06.2001) в которых гидравлический разрыв включает нагнетание жидкости для гидравлического разрыва, несущей расклинивающие наполнители - проппант. При этом жидкость для выполнения гидравлического разрыва угольного пласта может содержать жидкость-носитель, загуститель, амфотерное поверхностно-активное вещество и расклинивающий наполнитель (проппант).

Недостатком способов гидравлического разрыва угольного пласта по патенту РФ №2576424 и евразийским патентам №015158, №004514 является нагнетание проппанта в загерметизированный интервал скважины в составе жидкости для гидравлического разрыва, содержащей дополнительные компоненты, что ведет к усложнению и удорожанию работ по сравнению с гидравлическим разрывом угольного пласта водой, требует применения дополнительного специального оборудования шахтного исполнения. Известно, что дегазация угольных пластов на угледобывающих шахтах является составной операцией подземной добычи угля, а извлекаемый при этом метан не является основным полезным ископаемым.

Увеличение расходов на выполнение гидравлического разрыва угольного пласта снижает рентабельность подземной добычи угля. Поэтому, несмотря на положительные результаты опытных работ, применение жидкостей с проппантом для гидравлического разрыва угольного пласта и расклинивания формируемых трещин на угледобывающих шахтах широкого распространения не получило.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ гидравлического разрыва угольных пластов по патенту РФ №2472941 (МПК E21F 7/00, Е21В 43/26, опубл. 20.01.2013, бюл. 2), выполняемый для дегазации угольных пластов, который включает бурение сквозных скважин в угольном массиве из оконтуривающих выработок параллельно очистному забою, нарезание на стенках указанных скважин инициирующих щелей со сдвигом щелей в соседних скважинах на шаг нарезания, герметизацию скважин и формирование трещин гидравлического разрыва угля нагнетанием в них жидкости. Инициирующие щели в известном способе используются для задания направления развития гидравлического разрыва в угольном пласте и не оказывают существенного влияния на проницаемость формируемых трещин. Глубина нарезания щели с помощью щелеобразователя, исходя из существующих технических решений, приблизительно равна радиусу скважины (патенты РФ №2263776, МПК Е21С 37/00, Е21В 43/26, опубл. 10.11.2005, бюл. 31; №2359124, МПК Е21С 37/00, Е21В 43/26, опубл. 20.06.2009, бюл. 17). При этом количество образуемых при нарезке частиц мало для использования их в качестве расклинивающего материала, а их размер неоднороден для равномерного размещения внутри трещины. Другой особенностью создания щелей с помощью известных технических решений щелеобразователей является их функционирование с постоянной подачей промывочно-охлаждающей жидкости в зону нарезки, что приводит к выносу всех образуемых частиц к устью скважины.

Техническая задача, решаемая с помощью предлагаемого способа, состоит в повышении эффективности закачки проппанта и расклинивания формируемых трещин гидравлического разрыва угольного пласта.

Поставленная задача решается тем, что в способе гидравлического разрыва угольного пласта, включающем бурение в пласте скважины, герметизацию интервала разрыва скважины, нагнетание в интервал разрыва воды под давлением и образование в породе трещины, до герметизации интервала разрыва в нем размещают проппант, состоящий из гранул округлой формы размером 270-325 меш и плотностью ниже плотности воды в количестве достаточном для заполнения формируемой трещины одним слоем гранул.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Бурение скважины в угольном пласте выполняют с помощью станка, установленного в горной выработке. Затем, в запланированный для проведения гидроразрыва интервал скважины подают проппант, состоящий из гранул округлой формы размером 270-325 меш и плотностью ниже плотности воды в количестве достаточном для заполнения создаваемой трещины одним слоем гранул. Как показывают расчеты, выполненные с использованием математической модели, представленной в работе (Сердюков С.В., Курленя М.В., Рыбалкин Л.А., Шилова Т.В. Влияние гидроразрыва угля на фильтрационное сопротивление зоны дренирования дегазационной скважины // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2019. - №2. - С. 3-13), расклинивание трещины монослоем проппанта указанного размера обеспечивает достаточное снижения фильтрационного сопротивления дренирования угольного пласта дегазационной скважиной.

Совокупность перечисленных признаков и количество проппанта позволяет осуществить его размещение посредством вдувания в скважину сжатым воздухом с использованием шахтного воздуховода, нагнетания в скважину в смеси с водой под низким давлением с использованием технической воды из шахтного водовода, либо проталкивания в скважину механическим толкателем. Данные операции могут быть выполнены с помощью специального скважинного оборудования без задействования дорогостоящего станка для бурения, что снижает издержки при проведении работ.

Затем выполняют герметизацию интервала разрыва с помощью надувных или нажимных пакеров. В случае, если проведение гидроразрыва запланировано на забое скважины, то используется один пакер. В противном случае, для ограничения интервала разрыва используют два пакера, причем дальний от устья пакер устанавливается до подачи в скважину проппанта. После герметизации интервала разрыва и нагнетания в него воды под высоким давлением, вода заполняет интервал разрыва и смешивается с проппантом, гранулы которого в силу своей низкой плотности, размера и количества всплывают, и вместе с водой заполняют формирующуюся трещину гидроразрыва, расклинивая ее и препятствуя смыканию ее берегов горным давлением после снятия давления воды, что увеличивает проницаемость трещины, повышает эффективность дренирования угольного пласта, темпа и степени его дегазации.

Указанная совокупность существенных признаков позволяет повысить эффективности закачки проппанта и расклинивания формируемых трещин гидравлического разрыва угольного пласта, выполняемого водой.

Реферат

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной добыче угля для интенсификации дегазации неразгруженного от горного давления угольного пласта методом гидравлического разрыва. Изобретение содержит способ гидравлического разрыва угольного пласта. Способ включает бурение в пласте скважины, герметизацию интервала разрыва скважины, нагнетание в интервал разрыва воды под давлением и образование в породе трещины. При этом до герметизации интервала разрыва в нем размещают проппант. Проппант состоит из гранул округлой формы размером 270-325 меш и плотностью ниже плотности воды в количестве, достаточном для заполнения формируемой трещины одним слоем гранул. Технический результат – повышение эффективности закачки проппанта и расклинивания формируемых трещин гидравлического разрыва угольного пласта, выполняемого водой.

Формула