Способ герметизации дегазационных скважин
METHOD FOR SEALING DEGASSING WELLS

Предлагаемое изобретение относится к горному делу и может быть использовано при дегазации углепородного массива скважинами, пробуренными из горных выработок. Одним из элементов дегазации является герметизация скважин и предотвращение подсосов воздуха в интервал притока метана из горных выработок. Подсосы воздуха снижают эффективность дегазации, повышают содержание воздуха в извлекаемой газовой смеси, что затрудняет использование метана угольных пластов в народном хозяйстве. Для снижения подсосов воздуха применяют различные способы герметизации дегазационных скважин.
Известен способ герметизации дегазационных скважин по авторскому свидетельству СССР № 739246  (МПК E 21 F 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%.
Известен способ герметизации дегазационных скважин по патенту РФ № 2108464 (МПК 6  E 21 F 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.
Недостатками известного способа по патенту РФ № 2108464 является возможность частичного нарушения сплошности воздухонепроницаемого экрана после отвердевания состава, например под действием техногенных или природных деформационных процессов  в окружающем массиве, что приводит к нарушению герметизации дегазационной скважины.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ герметизации дегазационных скважин по патенту РФ № 2507378 (МПК 6  E 21 F 7/00, опубл. 20.07.2014), включающий выполнение ориентированного гидроразрыва горных пород, создание воздухонепроницаемого экрана и создание в горных породах между воздухонепроницаемым экраном и горной выработкой запирающего слоя с градиентом порового давления, препятствующим фильтрации воздуха в рабочую часть дегазационной скважины.
Недостатком известного способа по патенту РФ № 2507378 является возможность нарушения сплошности запирающего слоя из-за неоднородности  градиента давления, которая возникает, например, под действием трещин и неоднородности фильтрационных свойств горных пород, расположенных между  воздухонепроницаемым экраном и горной выработкой. Нарушение сплошности запирающего слоя может приводить к потере им свойства препятствовать  фильтрации воздуха в рабочую часть дегазационной скважины, что ведет к нарушению герметизации дегазационной скважины.
Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в снижении подсосов воздуха из горной выработки в рабочую часть дегазационной скважины через углепородный массив.
Поставленная задача решается тем, что в отличие от прототипа слой горных пород, препятствующий фильтрации воздуха в рабочую часть дегазационной скважины, создают между двумя параллельно расположенными  воздухонепроницаемыми экранами за счет пропитывания горных пород жидкостью с пластовым давлением выше давления воздуха в горной выработке.
Такая совокупность существенных признаков позволяет снизить подсосы воздуха через углепородный массив из горной выработки в рабочую часть дегазационной скважины за счет создания в горных породах между двумя параллельно расположенными  воздухонепроницаемыми экранами слоя горных пород, пропитанных жидкостью с пластовым давлением выше давления воздуха. При этом воздухонепроницаемые экраны препятствуют оттоку жидкости в окружающий массив, что в слое горных пород между экранами способствует равномерному повышению пластового давления выше давления воздуха в горной выработке. При этом исключается нарушение сплошности слоя под действием трещин и неоднородности фильтрационных свойств горных пород, что повышает надежность герметизации дегазационной скважины за счет снижения подсосов воздуха через углепородный массив из горной выработки в рабочую часть дегазационной скважины.
Пропитывание горных пород жидкостью могут проводить через дренажные каналы, например через трещины гидроразрыва, в том числе заполненные раскрепляющим материалом (проппантом), которые создают в окружающем массиве между противофильтрационными экранами, что снижает влияние вязкости жидкости и размеров противофильтрационных экранов на равномерность повышения пластового давления и способствует созданию слоя горных пород, препятствующего фильтрации воздуха, между воздухонепроницаемыми экранами большого размера.
Горные породы могут пропитывать водой, что снижает стоимость создания слоя горных пород, препятствующего фильтрации воздуха в рабочую часть дегазационной скважины.
Горные породы могут пропитывать жидкостью с температурой кипения выше температуры окружающего массива, что исключает нарушение сплошности слоя горных пород, препятствующего фильтрации воздуха в рабочую часть дегазационной скважины, из-за  перехода жидкости в парообразное состояние и фильтрации пара в окружающий массив, дегазационную скважину и горную выработку.
Горные породы могут пропитывать жидкостью с пластовым давлением выше минимального сжимающего напряжения горных пород, что способствует пропитыванию жидкостью горных пород с высокой неоднородностью фильтрационных свойств.
Горные породы могут пропитывать последовательно несколькими жидкостями, которые реагируют между собой и образуют продукт реакции, снижающий фильтрационные свойства горных пород, что дополнительно препятствует фильтрации воздуха в рабочую часть дегазационной скважины.
Слой горных пород, препятствующий фильтрации воздуха в рабочую часть дегазационной скважины, могут создавать между противофильтрационными экранами, расстояние между которыми меньше их максимального размера, что снижает объем горных пород, пропитываемых жидкостью, и стоимость герметизации дегазационной скважины.
Противофильтрационные экраны и дренажные каналы между ними могут создавать из вспомогательных скважин, пробуренных параллельно дегазационной скважине, что позволяет восстанавливать герметизацию действующих дегазационных скважин без их остановки.
Использование способа в объеме приведенных признаков позволит снизить подсосы воздуха через углепородный массив из горной выработки в рабочую часть дегазационных скважин, повысить содержание углеводородных газов в продукции дегазационных скважин, восстанавливать герметизацию действующих дегазационных скважин без их остановки и  вмешательства в существующую технологию строительства и обустройства дегазационных скважин.
0
Предлагаемый способ герметизации дегазационных скважин поясняется фиг.1, где представлена схема дегазации массива газоносных горных пород с герметизацией дегазационной скважины по данному способу. Для дегазации углепородного массива 1 из горной выработки 2 бурят дегазационную скважину 3 и обустраивают ее. При этом устьевой участок дегазационной скважины на глубину не менее 10 м обсаживают трубой 4, заполняют пространство между трубой и стенкой скважины твердеющим составом, герметизируют устье обсадной трубы, через водоотделитель подсоединяют дегазационную скважину к шахтной системе дегазации и запускают в работу.  При  неудовлетворительном качестве герметизации дегазационной скважины и обнаружении подсосов воздуха из горной выработки в рабочую часть дегазационной скважины через углепородный массив параллельно дегазационной скважине на расстоянии 0,5 – 1 м от нее обурят вспомогательные скважины 5, 6 диаметром 48 – 76 мм. Скважину 4 бурят глубиной 4 - 8 м. Скважину 6 бурят глубиной на 0,3 – 0,5 м больше глубины скважины 5. Призабойную зону скважины 5 на расстоянии не более 0,2 м от забоя герметизируют пакером. В полученный изолированный интервал скважины 5 подают насосом рабочую жидкость гидроразрыва, например воду, и проводят направленный гидроразрыв с получением трещины, ориентированной поперек скважины.  При этом применяют известные способы направленного гидроразрыва, например, нарезают в горной породе по окружности скважины кольцевую щель. Объем V закачки рабочей жидкости для получения трещины радиуса R рассчитывают по формуле ,  где  E — модуль Юнга, ν - коэффициент Пуассона  — вязкость разрушения горной породы. Значение R выбирают равным 5 – 10 м. Полученную трещину заполняют составом, например твердеющим полимерным составом на полиуретановой или акрилатной основе, и создают противофильтрационный экран 7.
Из скважины 5 извлекают оборудования гидроразрыва, продолжают бурение скважины 5 и увеличивают ее глубину  на 0,8-1 м. Во вновь полученной призабойной зоне скважины 5 повторяют работы по установке противофильтрационного экрана и создают второй противофильтрационный экран 8. Призабойный интервал скважины 5 с противофильтрационными экранами  герметизируют пакером и заполняют твердеющим полимерным составом. После отвердевания состава пакер извлекают из скважины 5.
Призабойную зону скважины 6 на расстоянии не более 0,2 м от забоя герметизируют пакером. В полученный изолированный интервал скважины 6 насосом нагнетают жидкость 9 с температурой кипения выше температуры окружающего массива, например воду, пропитывают слой горных пород 10 между противофильтрационными экранами 7 и 8 нагнетаемой жидкостью с пластовым давлением выше давления воздуха в горной выработке. Пропитывание горных пород жидкостью может быть проведено через дренажные каналы, например через трещину гидроразрыва 11, которую создают тем же способом, что и трещины противофильтрационных экранов 7 и 8. Для повышения приемистости дренажной трещины она может быть заполнена раскрепляющим материалом (проппантом), например алюмосиликатными полыми микросферами (ценосферами). Для более равномерного пропитывания слоя горных пород нагнетаемой жидкостью дренажных трещин (каналов) может быть несколько, а нагнетание жидкости может быть выполнено под давлением выше минимального сжимающего напряжения горных пород. Для пропитывания горных пород используют жидкость с температурой кипения выше температуры окружающего массива, что исключает перехода жидкости в парообразное состояние и фильтрацию пара в окружающий массив, дегазационную скважину и горную выработку.
Горные породы могут пропитывать последовательно несколькими жидкостями, которые реагируют между собой и образуют продукт реакции, снижающий фильтрационные свойства горных пород, что дополнительно препятствует фильтрации воздуха в рабочую часть дегазационной скважины. Такими жидкостями, например, могут быть гидравлическое масло с 3-5% добавкой диэтиламина и органическая жидкость, содержащая изоцианаты. В результате химической реакции диэтиламина с изоцианатом происходит загущение гидравлического масла (повышение вязкости), что способствует снижению скорости фильтрации воздуха из горной выработки 2 в зону отбора метана 12 и рабочую часть дегазационной скважины 3 через горные породы, пропитанные такими составом.
Комбинация таких операций, как проведение ориентированного гидроразрыва горных пород,  создание противофильтрационных экранов, нагнетание в горные породы жидкости и создание между воздухонепроницаемыми экранами слоя горных пород с пластовым давлением выше давления воздуха в горной выработке, препятствует фильтрации воздуха из горной выработки в рабочую часть дегазационной скважины через горные породы, снижает подсосы воздуха в дегазационную скважину, обеспечивают повышение содержания метана в продукции дегазационных скважин и рентабельность использования метана угольных пластов в народном хозяйстве.