Способ проведения гидравлической обработки угольного пласта

(6) Дополнительное к авт,Заявлено 24.03.80 (21) 289245/22 присоединением заявк оудзротванай коинтет СССР о делан нзобротеннй и открытнй(72) Авторы изобретения дена Октябрьской Революции амени институт горного дел нистерства угольной промыш расного ордена Трудовог им. А.А.Скочинск нности СССР и АН(71) Заявитель СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА ла гольно и пласт ра мпуль м е осущест го пластаоэдействия з скважиныз угольного на него, удаление водь 1и трещин и каптаж газапласта 2 Недостатком известного способа является. его относительно невысокая . эффективность в виду того, что в способе не обеспечена надежная герметизация устья скважин гидроразрыва, обсадка устья скважин цементом трудоемка и требует много, средств на герметизацию скважин, также нет условий для обработки пласта импульсами высокой энергии.Цель изобретения - повышение .эЬи угольного плагазоотдачи уголь- управляемого измен Аективности дегазаци ста путем повышени ного пласта за сче Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для обработки массива горных пород, главным образом угольных.пластов, в импульсном режиме с целью борьбы с газом, внезапными выбросами и пылью.Известен способ гидроразрыва массива, заключающийся в бурении скважины, герметизации ее устья путем цементации обсадной трубы и подаче в пласт воды в режиме напорного нагнетания, гидроразрыва массива и создания в нем сети трещин 1 .Недостатком данного способа является трудоемкость и недостаточная надежность герметизации нагнетательных скважин.Известен также способ проведения гидравлической обработки угольного пласта, включающий бурение в угольный пласт скважины, герметизацию ее устья, герметизацию скважины на глубину, необходимую для осуществления гидроразрыва у ста, нагнетание в уголь бочей жидкости в напори ном режимах с помощью с средств подачи жидкости ние гидроразрыва угольн путем гидроимпульсного3509 Э 88нения его физико-механических свойств,а также уменьшения экономических затрат на герметизацию скважины.Поставленная цель достигается тем,что гидравлическую обработку угольного пласта до осуществления процессаудаления воды из скважины и трещинпроизводят в два этапа, управляя силой гидроимпульсного воздействия создавая на первом этапе сеть крупныхтрещин, на втором - разветвляя сетькрупных трещин системой мелких трещин,предварительно перед нагнетанием рабочей жидкости в угольный пласт в скважину вводят трубу-ствол специальногосредства подачи жидкости, герметизазию скважины на необходимую для осуществления гидроразрыва глубину производят путем нагнетания в образован -ное между стенками скйажины и трубойстволом затрубное пространство вязкой жидкости, вязкость которой больше вязкости рабочей жидкости, и удержания ее на необходимой глубине посредством подпружиненного поршня,выполненного с уплотнительным элементом, и закрепленного на трубе-стволе с возможностью его продольногоперемещения по трубе-стволу, при этомуправление параметрами гидравлической обработки и силой гидроимпульсного воздействия производят, изменяя конструктивные параметры специальных средств подачи жидкости, параметры скважины и вязкость герметизирующей жидкости, причем в процессе гидроимгульсного воздействия давление герметизирующей жидкости на участке герметизации поддерживают равным давлению в скважине рабочей жидкости и газообразных продуктов взрыва, образующихся в процессе осуществления гидроимпульсного воздействия, кроме того, подпружиненныйпоршень, разделяющий герметизирующуюи рабочую жидкость, смещают к устьюскважины по мере осуществления этапов гидравлической обработки.На фиг. 1 представлена схема расположения скважины в пласте и обсад 3ке ее устья трубой и цементом, нафиг, 2 - схема герметизации скважиныв период гидрообработки угольногопласта,Способ осуществляют следующим образом.Из горной выработки 1 (фиг. 1 и 2)по пласту 2 проводят скважину 3, которую обсаживают трубой 4 и цементным Раствором 5 на глубину 0 Ц разгрузки массива выработки 1 (=4-10 м).После затвердевания раствора в скваЦжину вводят трубу-ствол 6 (фиг. 2)установки 7, предназначенной для гидрообработки.и разрыва пласта.Перед гидравлической обработкойпласта в затрубное пространство скважины 3 по шлангу 8 (фиг. 2 ) подают10 жидкость 9, вязкость которой превышает вязкость рабочей жидкости. Жидкостью 9 заполняют скважину на глубину герметизации, определяемуюрасчетом или опытнйм путем; Затем вскважину по шлангу 10, нагнетают рабочую жидкость 11. Вязкая и рабочаяжидкости разделены подвижным поршнем12 с уплотнительным элементом,В качестве рабочей жидкости используют воду или воду с различньщи добавками поверхностно-активных илихимически-активных веществ (соответственно ПАВ и ХАВ),Качество герметизации скважиныгидроразрыва на глубине в условияхугольных пластов с различной проницаемостью обеспечивают подбором вязкостей рабочей жидкости и жидкости,предназначенной для герметизации.30При вязкости рабочей жидкости, близ-.кой к 1 сП, вязкость герметизирующейжидкости принимают на пластах с низкой проницаемостью (обычно 0,0010,01 мдарси) в 10-100 раз, а напластах с высокой проницаемостью(0,01-0,1 мД) в 100-1000 раз превышающей вязкость рабочей жидкости. Впервом случае используют, например,карбоксилметилцеллюлозу средней вязкости (КМЦ/350 или КМЦ) концентрации 0,5-3 , гипан - 0,7 концентрации 1-4%; полиакриламид (ПАА,ПААР) вязкостью 0,5-1%," полиакриламидные полимеры (метас, комета, вязкостью 20-100 сП) концентрации 1-2 и др. Во втором случае используют,например, карбоксилметилцеллюлозувысокой вязкости ( КМЦ/500, КМЦ 85/600) концентрации до 7-10 ; гидролизованный полиакриламид ПААП кон 50 центрации 0,5-5крахмал концентрации 5-10% и выше с добавлением щелочи концентрации 1-4%; полиакриламидный полимер "комета" концентрации 2-10 . и др.В том случае, когда гидроразрывпласта осуществляют через скважину,герметизируемый участок которой,расположен в ненарушенных породах5 883509 4почвыили кровли) ля ге ме, д р тиэации дукты взрыва, вылетая из ствола 6,можно применять жидкость, вязкость в свою очередь, оказывают динамическоторой только в 3-О раз превышаеткое воздеиствие на столб маловязкойвязкость рабочей жидкости. В этом слу рабочей жидчей жидкости, заполнившей скважичае используют, напримеР, сульфит ну и трещинтрещины в массиве. Энергия газо-.спиртовую барду (ССБ), углещелочной образных продуктов расходуется, вреагент (УЩР), полиакриламид (ПАА) оснбвном а бном, на о раэование и раскрыконцентрацией менее 0,5 хромолигно- тие трещинУ фФ трещин в пласте, фильтрацию жидсульфаты (например, окзил) вязкостью кости в масв массиве. астично энергияЧдо 20%. о расширяющихся продуктов взрывной реВ случае необходимости регулиро- акции гидрокса ( ад 1окса адокса 1 расходуетсявания вязкости жидкости.в гермети- также на перемещеремещение подпружиненнозационной камерена участке) из- го поршня 12 по трубе 6 в направлеменяют концентрацию добавок- вводят скважины. ерез скользясоли и реагенты, которь 1 е повышают 15 щий по трубе поршеньпоршень энергия импульили понижают вязкость герметизирую- са передается бтся и на елее вязкую жидющего Раствора. Введение хлористого кость размещенную в бЭ енную в затру ном пронатрия концентрации 1-20 приводит к . странстве на участке гермучастке герметизациизначительному снижению вязкости. До- скважины,бавки ССБ и У 1 ЦР понижают вязкость ра С повышениемповышением давления жидкости вствора особенно ИЩ. Вве ение вФЩЩ. Вв дение в скважине ускоряется фильтрация малораствор крахмала щелочи вызывает . вязкой рабочей жидкости 11 на обраклейстеризацию и резко повышает вяз- батываемом учасмом участке скважины и вязкойкость герметизирующей жидкости. жидкости 9 на участке герметизации,Гидравлическую обработку пласта . 5 Однако ввиду большой вязкости герменачинают с напорного нагнетания а -р о нагнетания ра - тизирующеи жидкости, последняя, пеибочей жидкости в пласт. Послст. После запол- рекрывая устья трещин в массиве и накения жи костью т ед р щин и пор, когда . контакте массива с узлом цементнойдавление нагнетания стабилизируется .обвязки устья скважины фФины, фильтруетсяи расхо абочейд р " жидкости становит- ЗО в весьма незначительном количествеЭся небольшим или близким к нулю, осу- раскрытие трещин на стчастке герметиществляют импульсное нагнетание жид- зации скважины практически исклвчакости, Импульсы высокой энергии ге- ется, создается барьер для рабочейнерируют, например, установкой взры- жидкости и газообильных продуктоввогидроимпульсного воздействия. ЗаЗ 5на пути их движения к устью скважины.счет реализации во взрывной камере Герметизация скважины достигаетсясредства беспламенного взрывания вследствие плотного заполнения вязкой(патронов, гидрокс, адокс), в стол- жидкостью устьев трещин как в нарушенбее рабочей жидкости генерируют удар- ной, так и ненарушенной (на участкеные волны, раскрывают имевшиеся в герметизации) зоне пласта. При этомпласте трещины или образовывают но-заполнение устьев трещин тем полнее,вые, и одновременно, вслед за удар- чем больше величина импульса передач чЭнои волнои, в образовавшуюся сеть ваемого на поршень 12. Таким образомтрещин подают рабочую жидкость га- обеспечивается саморегулирующий резообразными продуктами химической ре- жим герметизации скважины во время45акции гидрокса (адокса), гидроимпульсного воздействия на горПри взрыве средства беспламенно- ный массив.го взрывания продукты химической ре- Фильтрация маловязкой рабочей жидакции заряда гидрокс ( адокс), проры-кости на обрабатываемом участке сквавая диафрагму на выходе взрывной ка- жины протекает в высоком темпе. При50меры, устремляются по трубе 6 в сква- этом в зависимости от свойств массижину. В момент среза диафрагмы в стол- ва, вида жидкости и параметров гидбе. жидкости, заполнившей скважину рообработки можно раскрывать малои трещины в прилегающем к ней масси- численную сеть трещин, увеличивая ихве, формируются ударные волны. Напря- зияние или создавать разветвленную55Ужения, возникающие в породе вследст- частую ) сеть более мелких трещин.вие действия ударных волн, приводят На первом этапе обработки пласта созк раскрытию имевшихся в пласте трещин дают сеть крупных трещин, чтобы увеи созданию новых. Газообразные про- личить радиус воздействия, на втором3 10 15 20 25 30 35 40 4 50 И этапе - разветвляют сеть трещин, а на третьем - осушают скважину и крупные трещины от жидкости, чтобы интенсифицировать процесс дегазации пласта. После дегазации, осуществляемой в течение нескольких месяцев, массив угля подвергают йовторной обработке с целью изменения физико-механических свойств угля (уменьшить пылеобразование при выемке угля и устранить выбросоопасность пласта).Параметры гидрообработки (давление во взрывной камере и на выходе из ствола установки, объем газообразных продуктов, продолжительность импульса и период обработки) определяют экспериментально в зависимости от свойств обрабатываемого горного массива и цели гидроимпульсного воздействия (например, либо. обрайование сети трещин для эффективной дегазации, либо последующее за дегазацией изменение физико-механических свойств угля как дополнительная мера по устранению выбросоопасности и для снижения пылеобразования). Параметры обработки изменяют путем регулирования объема взрывной камеры, веса заряда, давления газообразных продуктов в момент выброса их из камеры и ствола, скорости истечения газов из ствола, соотношения вязкостей рабочей и герметизирующей жидкостей, хода разделяющего жидкости поршня, а также изменения ( точнее выбора ) длины и диаметра скважины.Реализация способа может быть осуществлена, например, с помощью известной взрывогидроимпульсной установки ПермНИУИс камерой регулируемого объема (3000-5000 см") зарядом3от 0,27 до 1,9 кг и давлением газообразных продуктов в камере 500- 5000 кгс/см . Объем газов в этом случае составляет 2,0-13,5 м . Давление3газа на выходе ствола регулируют геометрией внутренней полости ствола за счет профилированных труб (составных частей ствола), изменяющих пара-метры воздействия взрывных газов на столб жидкости в скважине (для поддержания более высокого давления газов на выходе ствола применяют комфузорную форму, а для более высокой скорости истечения газов и меньшего давления - диффузорную).Чем больше заряд, меньше объем взрывной камеры и устойчивей диафрагма (диск), тем больше давление газообразных продуктов, больше величина импульса (при условии постоянства фазы сжатия), жестче воздействие на пласт, больше создается трещин.Более эффективную для импульсного воздействия на угольный массив удлиненную волну формируют конструктивными параметрами установки (форма конуса камеры и ствола, толщина, форма и давление среза диафрагмы," пружинящее торможение хода поршня).и выбором соотношения вязкостей жидкостей для герметизации и рабочей жидкости,Причем использование упомянутых выше жидкостей в указанных пределах проницаемости обрабатываемого массива ход поршня составит 0,5-4 см на каждый метр заполненного вязкой жидкостью участка скважины (за весь период обработки, включая нагнетание жидкости в пласт в напорном и импульсном режимах). Вследствие большого гидравлического сопротивления трещин по мере проникновения в них вязкой (герметизирующей) жидкости жесткость системы поршень - жидкость - массив по мере воздействия импульса давления возрастает.03 а счет преодоления гидравлического сопротивления трещин . вязкой жидкостью при ее фильтрации в массив под давлением импульса происходит амортизация ударной нагрузки и снижение ее амплитуды. Варьируя вязкостью герметизирующей жидкости можно в пределах 100307 изменять жесткость амортизирующей системы и тем самым перераспределять энергию взрыва средства беспламенного взрывания, затрачиваемуюна фильтрацию и на образование новой системы трещин. Чемжестче амортизирующая система поршень - жидкостьмассив, тем большая доля энергиивзрыва затрачивается на созданиесети искусственных трещин, И наоборот, чем податчивей амортизирующаясистема, тем большей рабочей жидко"сти проникает в пласт в режиме фильтрации, увлажняя его. В первом случаеход поршня за время обработки составит 0,5-1 см, во втором - 3-4 смна каждый метр участка герметизации,длина которого 10-20 м ( реже 2025 м 1,После каждого цикла воздействия,когда давление газообразных продуктов снижается до давления напорного3509 1 О о 5 20 Формула изобретения ЭО 35 40 45 Я 55 88(статического) нагнетания рабочейжидкости в пласт, осуществляютзамену диафрагмы во взрывнойкамере, нагнетают в скважину рабочую жидкость до стабилизации давления нагнетания и производят очередное взрывание заряда, При необходимости, перед началом цикла воздействия, в затрубное пространство скважины добавляют вязкую жидкость длягерметизации.Объем взрывной камеры, количествопатронов гидрокс (адокс) и давлениегазообразных продуктов определяютисходя из горногеологических условий, свойств пласта, цели воздействия. Регулирование объема камеры идавления газов осуществляют количеством патронов гидрокс и металлических (или пластмассовых) вкладышейПосле первого и второго этаповобработки пласта, завершаемых по истечении запланированных циклов воздействия 1 закачка в пласт проектногоколичества рабочей жидкости, создание сообщающейся межскважинной сетитрещин), вязкую жидкость герметизациисливают, убирают установку и скважину подключают к дегазационнойсистеме. Каптаж газа ведут в течениевремени, предусмотренном проектомна дегазацию выемочного участка. Затем в такой же последовательностициклов воздействия подают в пластрабочую жидкость, предназначеннуюдля изменения физико-механическихсвойств угля. Параметры воздействияопределяют экспериментально или расчетным путем. Обработку пласта натретьем .этапе можно осуществлятьтакже с помощью обычных средств напорного нагнетания жидкости в пласт.При необходимости, если предварительно создана сообщающаяся сетьтрещин между скважинами, закачку жидкости на третьем этапе производятодновременно через группу скважин.В качестве рабочей жидкости для обработки пласта на третьем этапа принимают, например, водомаслянные эмульсии, водные растворы жидкого стекла,хлористого натрия, хлористого кальция, водные растворы поверхностнои химически-активных веществ и др.Объем жидкости определяют из расчета достижения 5-67 влажности угляв массиве,Предлагаемый способ гидравлической обработки угольного пласта позволяет сократить затраты времени на герметизацию скважин гидроразрыва (операции по герметизации и гидрораэрыву совмещены во времени), что дает возможность экономить от 3 до 5 суток на каждой скважине гидроразрыва. Затраты средств на герметизацию сокращаются в 3-1 раз, йоскольку затраты -идут только на обсадку устья скважины (длина 4-10 м), которая к тому же используется для последующего (после гидроразрыва) подсоединения скважины к дегазационной сети нет необходимости в обсадке скважины трубно-цементным мостом на 30- 40 м, как это делается при известных способах гидроразрыва угольных пластов . Улучшение качества герметизации позволяет повысить эффективность гидроразрыва не менее, чем на 30-503. Способ проведения гидравлической обработки угольного пласта, включаюющий бурение в угольный пласт скважины, герметизацию, ее устья, герметизацию скважины на глубину, необходимую для осуществления гидроразрыва угольного пласта, нагнетание в угольный пласт рабочей жидкости в напорном и импульсном режимах с помощью специальных средств подачи жидкости, осуществление гидроразрыва угольного пласта путем гидроимпульсного воздействия на него, удаление воды из скважины и трещин и каптаж газа из угольного пласта, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности,дегазации угольного пласта путем повышения газоотдачи угольного пласта за счет управляемого изменения его физико-механических свойств, а также уменьшения экономических затрат на герметизацию скважины, гидравлическую обработку уголь- ного пласта до осуществления процесса удаления воды из скважины и трещин производят в два этапа, управляя силой гидроимпульсного воздействия, создавая на первом этапе сеть крупгых трещин, на втором - разветвляя сеть крупных трещин системой мелких трещин, предварительно перед нагнетанием рабочей жидкости в угольный пласт в скважину вводят трубу-ствол специального средства подачи жидко2 883509 ираж 466 аз 10161/ одписное ВНИ Проектная, 4 Филиал ППП "Патент", г, Ужг сти, герметизацию скважины на необходимую для осуществления гидроразрываглубину производят путем нагнетания в образованное между стенкамискважин и трубой-стволом затрубное.пространство вязкой жидкости, вязкостькоторой больше вязкости рабочейжидкости, и удержания ее на необходимой глубине посредством подпружиненного поршня, выполненного с уплотнительным элементом и закрепленного на трубе-стволе с воэможностьюего продольного перемещения по трубе-стволу, при этом управление параметрами гидравлической обработки исилой гидроимпульсного воздействияпроизводят изменяя конструктивныепараметры специальных средств подачи жидкости, параметры скважины ивязкость герметизируюАей жидкости,причем в процессе гидроимпульсноговоздействия давление герметизирующейжидкости на участке герметизации поддерживают равным давлению в скважине рабочей жидкости и газообразныхпродуктов взрыва, образующихся впроцессе осуществления гидроимпульс ного воздействия, кроме того, подпружиненный поршень, разделяющийгерметизирующую и рабочую жидкости,смещают к устью скважины по мере осуществления этапов гидравлической об О работки Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Гершун О.С. и др. Дегазация 15 разрабатываемых пластов с помощьюгидрорасчленения из подземных выработок, М., ЦНИЭИуголь, 1977, с. 9-21.2. Бей М.М. и др. Импульсный пневматический агрегат для нагнетания 20 жидкости в массив. - Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело", 1971, Р 2, с. 5-6