Способ гидравлического разрыва угольного пласта
METHOD OF HYDRAULIC FRACTURING OF COAL BED

Предлагаемое изобретение относится к горному делу и может быть использовано для интенсификации дегазации угольного пласта методом гидравлического разрыва.
Гидравлический разрыв пласта (ГРП) является способом воздействия на породный массив, при котором в изолированный интервал скважины - интервал разрыва - нагнетают под давлением жидкость и создают тем самым в породах трещину. Для интенсификации дренирования пласта, отбора из него жидкости и газа, образуемую трещину заполняют гранулами расклинивающего материала - проппанта, препятствующего смыканию берегов трещины горным давлением пород. В известных технологиях гидравлического разрыва пласта проппант смешивают с нагнетаемой жидкостью и образуемую суспензию нагнетают под давлением в скважину и трещину через подводящие трубы и рукава высокого давления. В качестве проппанта используют керамические гранулы, песок, алюмосиликатные и стеклянные полые микросферы, которые могут быть выполнены с дополнительным полимерным покрытием.
Метод гидравлического разрыва пласта с расклиниванием образуемых трещин проппантом получил широкое распространение в нефтегазовой отрасли для повышения продуктивности
нефтегазодобывающих скважин, пробуренных с дневной поверхности.
В угледобывающей промышленности интенсификацию дренирования пластов методом гидравлического разрыва применяют для увеличения темпов и степени дегазации при подземной разработке газоносных угольных пластов. Практическое распространение получил способ гидравлического разрыва угольного пласта водой без расклинивания образуемых трещин проппантом (см. Инструкцию по дегазации угольных шахт от 01.12.2011, №679).
Результаты сравнительных опытных работ с расклиниванием и без расклинивания образуемых трещин песком показывают, 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. Заполнение трещин гидравлического разрыва угольного пласта песком повышает дебит дегазационных скважин в 5-180 раз в течение нескольких месяцев и способствует существенному увеличению темпа и степени дегазации газоносных 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: Coal Operators' Conference, 2004. - P. 169-179).
Для транспортирования гранул типичных проппантов (песок, керамические гранулы) жидкостью в интервал разрыва и трещину по трубам и рукавам высокого давления в протяженной субгоризонтальной дегазационной скважине нагнетаемая жидкость должна обладать высокой грузонесущей способностью, что может быть достигнуто путем повышения ее вязкости и скорости подачи. При недостаточной грузонесущей способности жидкости гранулы проппанта осаждаются в подающих трубах и рукавах высокого давления, что усложняет выполнение работ и снижает эффективность ГРП.
В отличие от нефтепромысловых ГРП, трещины для интенсификации дегазации угольных пластов имеют небольшие размеры, и для их создания высокопроизводительное насосное оборудование не требуется. К тому же, ограничения по габаритам и требование взрывобезопасного исполнения в шахтных условиях не позволяют использовать стандартное высокопроизводительное насосное нефтепромысловое оборудование гидравлического разрыва пластов.
Увеличение грузонесущей способности жидкости при использовании шахтного насосного оборудования и малых скоростей потока нагнетаемой жидкости может быть получено за счет добавления в жидкость специальных полимерных систем или гелей, но их применение ведет к усложнению и удорожанию работ. Отметим, что дегазация газоносных угольных пластов на угледобывающих шахтах является составной операцией добычи угля, а извлекаемый при этом метан не является основным полезным ископаемым. Увеличение расходов на повышение вязкости жидкости гидравлического разрыва, закупку проппантов для расклинивания образуемых трещин, повышение операционных расходов при выполнении гидравлических разрывов снижают рентабельность добычи угля. Поэтому, несмотря на результаты опытных работ, применение расклинивающих материалов при реализации способа ГРП на угледобывающих шахтах распространения не получило.
Одними из эффективных способов гидравлического разрыва угольных пластов для интенсификации их дегазации являются способы, в которых направление развития образуемой трещины в породном массиве задается предварительным нарезанием инициирующей щели - щелевого инициатора разрыва на стенках скважины. Это позволяет уменьшить риски выхода образуемой трещины в борта горной выработки и увеличения подсосов воздуха, которые возникают при вакуумировании рабочего интервала дегазационной скважины и снижают эффективность дегазации угольного пласта.
Примерами способов направленного гидравлического разрыва угольного пласта с использованием щелевого инициатора разрыва являются, например, известные способы по патентам РФ №2472941 (МПК E21F 7/00, Е21В 43/26, опубл. 20.01.2013 г.), №2602634 (МПК Е21В 43/26, опубл. 20.11.2016 г.) и №2613394 (МПК Е21В 43/26, опубл. 16.03.2017 г.). Способ по патенту РФ №2472941 включает бурение сквозных скважин в угольном массиве из оконтуривающих выработок параллельно очистному забою, нарезание на стенках указанных скважин инициирующих щелей, их герметизацию и формирование трещин гидроразрыва угля нагнетанием в них жидкости. В способе по патенту РФ №2602634 предварительное образование щелевого инициатора разрыва на стенках скважины реализуется с помощью щелеобразователя, совмещенного с буровой коронкой.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является известный способ гидравлического разрыва горных пород и устройство для его реализации (патент РФ №2613394, Е21В 43/26, опубл. 16.03.2017 г.), включающий бурение скважины, нарезание инициирующей щели на ее боковой поверхности, последующую герметизацию области скважины, содержащей инициирующую щель, и нагнетание рабочей жидкости под высоким давлением в загерметизированную область скважины - интервал разрыва - до образования трещины в породном массиве. В известном способе для охлаждения режущего инструмента, используемого для нарезания инициирующей щели, а также для очистки скважины и создания условий надежной герметизации интервала разрыва, скважину промывают и освобождают от образуемых при нарезании твердых частиц породы.
К недостаткам известных способов по патентам РФ №2472941, РФ №2602634 и РФ №2613394 относится смыкание берегов образуемых трещин гидравлического разрыва под действием горного давления пород. Это снижает площадь поверхности образуемой трещины, с которой метан поступает из пласта в дегазационную скважину, а также уменьшает проницаемость образуемого трещиной дренажного канала, что в совокупности уменьшает эффективность интенсификации дегазации известными способами.
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении эффективности интенсификации дегазации газоносных угольных пластов способом направленного гидравлического разрыва за счет предотвращения смыкания берегов формируемых трещин под действием горного давления пород.
Поставленная задача решаются тем, что в способе гидроразрыва угольного пласта, включающем бурение в пласте скважины, нарезание инициирующей щели на ее боковой поверхности, герметизацию интервала разрыва скважины, нагнетание в интервал разрыва воды под давлением и образование в породе трещины, согласно техническому решению, частицы угля, образуемые при нарезании инициирующей щели, удерживают в интервале разрыва скважины, смешивают с нагнетаемой водой и полученную суспензию закачивают в трещину.
Указанная совокупность существенных признаков позволяет повысить эффективность дегазации за счет использования частиц угля, образующихся при нарезании инициирующей щели, в качестве расклинивающего материала, препятствующего смыканию берегов образуемой трещины горным давлением пород. Возможность смешивания частиц угля с нагнетаемой водой и образование в интервале разрыва суспензии для подачи в трещину обусловлено относительно низкой плотностью угля. Расклинивание трещины частицами, идентичными по составу и прочности материалу пласта, препятствует полному смыканию ее берегов горным давлением пород после снятия давления воды, что способствует росту дебита метана. При этом достигается значительный экономический эффект за счет того, что реализация предлагаемого способа не требует применения высокопроизводительного насосного оборудования, дорогостоящих жидкостей повышенной вязкости и дополнительных проппантов.
Частицы угля, образуемые при нарезании инициирующей щели, могут быть удержаны в интервале разрыва скважины за счет нарезания щели в предварительно загерметизированном интервале разрыва, или за счет фильтрации промывочной жидкости гравитационным или сетчатым фильтром, установленным в интервале разрыва. При этом образуемые при нарезании частицы угля остаются в интервале разрыва.
В первом случае, выносу частиц препятствует герметичность интервала разрыва, который изолирован от остальной части скважины герметизаторами. Во втором случае, с помощью фильтра, установленного в интервале разрыва, образуемые частицы отделяются от промывочной жидкости. Приведенные технические решения расширяют возможности способа для его реализации в различных горно-геологических условиях.
Смешивание частиц угля с водой с получением суспензии может выполняться путем вибрационного перемешивания, либо путем создания в загерметизированном интервале разрыва вихревого потока воды вокруг оси скважины, например, с помощью механического или гидроструйного перемешивания. Это позволит достичь равномерного распределения частиц угля в объеме образуемой суспензии перед ее подачей в трещину гидравлического разрыва угольного пласта.
Смешивание частиц угля с водой и образование суспензии может быть выполнено после создания трещины гидроразрыва при давлении воды ниже давления раскрытия трещины гидроразрыва. Это позволит повысить эффективность образования суспензии, расширить область применения способа, например, в случае, когда расклинивание трещины по методическим рекомендациям должно выполняться отдельным этапом после ее образования.
Закачка суспензии воды с частицами угля в образуемую трещину может проводиться при давлении выше давления раскрытия трещины, что приводит к ее дальнейшему росту и повышению качества дренирования угольного пласта за счет увеличения площади поступления метана из пласта.
Предлагаемый способ поясняется на фиг. 1. Для проведения гидроразрыва угольного пласта бурят скважину 1, в которую с помощью бурового става 2 подают устройство (либо комбинацию нескольких устройств) для герметизации заданного интервала скважины и нарезания инициирующей щели 4. На фиг. 1 показано подобное устройство, снабженное одним герметизатором 3 и щелеобразователем 5, установленное вблизи забоя скважины. Образующиеся в процессе нарезания частицы угля 6 удерживаются в заданном интервале скважины одним из предложенных способов. Затем в изолированный герметизатором 3 интервал нагнетается под давлением вода и происходит смешивание частиц угля 6 с образованием суспензии. Полученная суспензия образует и заполняет трещину гидравлического разрыва 7. После выполнения гидравлического разрыва и разгерметизации интервала частицы угля остаются в трещине. Это приводит к неполному смыканию берегов трещины, повышает ее проницаемость и способствует интенсификации дегазации угольного пласта.