МОДУЛЬ РАЗРАБОТКИ СЛАНЦЕВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Полезная модель относится к области добычи газа, нефти и выщелачиванию микроэлементов из сланцевых месторождений, может быть использована для разработки сланцевых месторождений максимально приближенных к развитым инфраструктурам мегаполисов.
Традиционные методы добычи нефти вынуждены оставлять в отдельных коллекторах до 40-60% техногенных запасов. Необходимы комплексные экономически окупаемые технологии для отработки данных остатков, в основном это относится к сланцевым месторождениям. Затраты на бурение и оснащение технологического оборудования не могут окупиться без комплексного извлечения всего объема полезных ископаемых и увеличения сроков службы добычных скважин.
Углеводороды в сланцевых месторождениях находятся в газообразном, жидком и твердом состояниях в порах коллекторов и составляют 10-30% от массы породы, в сланцах весьма высокого качества могут достигать 50-70%). Горючие сланцевые месторождения характеризуют тонкозернистые осадочные породы, содержащие минеральные вещества, в том числе сланцы содержат значительное количество микроэлементов, которые растения накопили в результате биоаккумуляции, такие как литий, титан (до 5400 г/т), бор (до 10 г/т), рубидий, тантал (0,28 г/т), селен (до 100 г/т), молибден (до 750 г/т), рений (0,8 г/т), серебро (3,2 г/т), золото (0,2 г/т), ванадий (до 680 г/т), торий (до 12 г/т), барий (570 г/т), ртуть, хром (до 380 г/т), вольфрам (300 г/т), мышьяк (2000 г/т), уран (85 г/т), марганец (до 290 г/т), германий (до 6 г/т), цирконий (530 г/т), бериллий (10 г/т), скандий (5,6 г/т), медь (до 20 г/т), никель (до 57 г/т), кобальт (до 27 г/т), галлий (до 4,2 г/т), стронций (до 500 г/т) и другие элементы. Кроме того сланцевые месторождения содержат большие количества керогена, который в свою очередь и представляет ценность, как углеводородное сырье.
Все эти запасы могут находиться в районах с развитой инфраструктурой и производством, на которые не распространяются интересы монопольных организаций добывающих нефть и газы на больших площадях и регионах, так как процесс добычи сланцевой нефти газа более сложный. К примеру, чтобы добыть битумную нефть, нужно закачивать в пласты огромное количество воды, на 1 баррель добытой нефти 9-10 баррелей воды, при этом не извлекаются отвердевшая и вязкая часть нефти.
Для увеличения газо-нефтеотдачи используются устройства для разработки газовых и сланцевых залежей с применением ядерных взрывных технологий (В.И. Мусинов Добыча нефти и газа с помощью ядерных взрывов, ж-л Природа, 1991, №11, с 25-33). Известное устройство включает скважины для производства ядерного взрыва, эксплуатационные скважины, пробуренные после взрыва, расположенные: - одна в зоне каверны и две на некотором расстоянии от нее. Сущность заключается в производстве в пласте ядерных взрывов полного внутреннего действия, не приводящих к выбросу горных пород на поверхность.
Применение подземных ядерных взрывов открывает новые широкие перспективы в интенсификации разработки нефтяных и газовых месторождений, увеличивая многократно их газо- и нефтеотдачу.
Одна из причин, сдерживающих широкое использование ядерных взрывов в нефтедобывающей промышленности, заключается в опасности радиационного заражения атмосферы, района работ и добываемой продукции (нефти, газа, воды). Все еще не до конца остались изученными некоторые явления и процессы принципиально важные для промышленного внедрения ядерных взрывных технологий (ЯВТ). В первую очередь это долговременный (сотни и тысячи лет) прогноз опасности продуктов взрыва, оставляемых под землей. Поэтому зоны подземных взрывов отчуждаются навечно, их тем более нельзя использовать вблизи мегаполисов.
Наиболее близким предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство нагнетательных скважин на месторожении для гидравлического разрыва пласта (ГРП). В результате его применения происходит повышение проницаемости призабойной зоны низкопроницаемых, слабодренируемых, неоднородных и расчлененных пластов коллекторов. Гидроразрыв пласта заключается в создании искусственных и расширении имеющихся трещин в породах призабойной зоны повышенным давлением, более 60 Мпа, жидкости. В качестве жидкости могут быть использованы нефть, пресная или минерализованная вода, нефтепродукты (мазут, керосин, дизельное топливо) и др. Для предотвращения смыкания трещин после снижения давления в жидкость вводят либо хорошо окатанный крупнозернистый песок, либо искусственные пластиковые или стеклянные шарики. Наибольшее применение для этих целей получили чистые кварцевые пески с размером зерен 0,5 до 1,0 мм. Вся система полученных трещин, радиус действия которых может достигать нескольких десятков метров, связывает скважину с удаленными от забоя продуктивными частями пласта. Приток флюидов к скважине происходит из ранее изолированных высокопродуктивных зон, и дебиты скважин увеличиваются, иногда в несколько раз.
Механизм образования трещин при гидроразрыве следующий: под давлением, создаваемым в скважине насосными агрегатами, жидкость разрыва фильтруется в первую очередь в зоне с наибольшей проницаемостью. Между пропластками по вертикали создается разность давлений, так как в проницаемых пропластках давление больше, чем в малопроницаемых. В результате на кровлю и подошву проницаемого пласта начинают действовать определенные силы, выше и нижележащие породы подвергаются деформации, и на границах пропластков образуются горизонтальные трещины. Необходимо, чтобы внутрипластовое давление было достаточным для обеспечения притока нефти к скважинам. Кроме того, чтобы получить хорошие результаты разрыва пластов, необходима обработка скважин соляной гликокислотой, и плавиковыми кислотами. После установления давления на устье нагнетательных скважин, их промывают, очищают от песка и химических примесей, только после этого приступают к их освоению. (Методы механического разрушения пласта или его призабойной зоны, htth: www.qubkin.ru/faculty/maqistr-training/maqistranru/posobi 16/03/2013)
Как видно, чрезвычайная высокая ресурсоемкость и низкий уровень извлекаемости высоковязких сланцевых смол, ставят рассматриваемый способ добычи в ряд неэффективных и экологически опасных по объемам используемых водных ресурсов.
Пробуренные скважины быстро сокращают свой дебит на 30-40% в год, одновременно оставляя в недрах основные органические составляющие в виде растворенных керогенов, вязких сланцевых смол и минеральных составляющих из массива, подверженных гидроразрыву коллекторов.
Кроме того вблизи отрабатываемых месторождений могут скапливаться значительные объемы отработанной загрязненной воды, которую сложно утилизировать с соблюдением экологических норм.
Предлагаемая полезная модель направлена на повышение экологической безопасности и экономической эффективности при разработке сланцевых месторождений в районах с развитой инфраструктурой мегаполисов
Результат достигается тем, что модуль разработки сланцевых месторождений выполнен в виде блоков, изолированных друг от друга целиками, в центральной части каждого блока по подошве залежи месторождения размещены две горизонтальные скважины, в которых установлен с обеспечением воздушного зазора зарядный состав в виде чередующихся заряженных взрывчатыми веществами и пустых негерметичных контейнеров, закрепленных на тросе, снабженных расположенными по всей длине зарядного состава магистральными детонирующими шнурами, соединенными у устья скважины и с электродетонаторами с замкнутыми проводниками, рабочий торец контейнеров, заполненных взрывчатыми веществами, выполнен с кумулятивной выемкой, второй торец заглушен, указанные контейнеры снабжены двумя детонаторами короткозамедленного действия, смонтированными на отрезке детонирующего шнура, находящегося во внутренней полости контейнера, при этом отвод одного из указанных детонаторов подсоединен к основной магистральной линии детонирующего шнура, отвод второго - присоединен к дублирующей линии; по контуру блоков модуля размещены вертикальные скважины, оборудованные вихревыми насосами «Хобот-Торнадо» с фонтанно-эрлифтными трубами.
Модуль разработки сланцевых месторождений показан на чертежах, где на фиг. 1 показан общий вид модуля, на фиг. 2 - устройство взрывного состава в горизонтальной скважине, на фиг. 3 - устройство вихревого насоса «Хобот-Торнадо» с фонтанно-эрлифтными трубами.
Разведанное рудное поле разбито на отдельные модули, составленные как минимум из трех изолированных друг от друга целиками блоков, обеспечивающих трехстадийную отработку сланцевого месторождения: минный разрыв пластов и отбор газа и газоконденсата; термообработка разорванных пластов и извлечение расплавленных твердых и вязких органических составляющих; выщелачивание редкоземельных микроэлементов из зольной части выгоревших пластов.
Модуль разработки сланцевых месторождений выполнен в виде блоков, изолированных друг от друга целиками 1. В сланцевых месторождениях поверх основной залежи сланцев 2 (над подошвой залежи) находятся покровные породы 3, затем наносы 4. В центральной части каждого блока по подошве залежи месторождения 2 размещены две горизонтальные скважины 5, служащие в качестве минных камер, в которых установлен с обеспечением воздушного зазора зарядный состав в виде чередующихся заряженных 6 и пустых негерметичных контейнеров 7, закрепленных на тросе 8. По всей длине зарядного состава установлены магистральные детонирующие шнуры 9, 10, соединенные у устья скважины 5, к ним подсоединены электродетонаторы 11 с замкнутыми проводниками для предохранения от блуждающих токов. Рабочий торец контейнеров 6, заполненных взрывчатыми веществами, выполнен с кумулятивной выемкой 12, второй торец заглушен заглушкой 13. В заряженных контейнерах 6 каждая часть заряда последовательно взрывается короткозамедленными устройствами 14 через детонирующий шнур в направлении от забоя к устью скважины 5, снижая сейсмическое действие взрыва, для чего указанные контейнеры 6 снабжены двумя детонаторами короткозамедленного действия 14, смонтированными на отрезке детонирующего шнура, находящегося вдоль контейнеров 6, при этом отвод одного из указанных детонаторов подсоединен к основной магистральной линии детонирующего шнура 9, отвод второго - присоединен к дублирующей линии 10.
По контуру блоков модуля размещены вертикальные скважины 15, оборудованные вихревыми насосами «Хобот-Торнадо» 16, состоящими из конуса-завихрителя 17, выполненного в виде воронки-конуса, в нижней части которого установлен тангенциальный патрубок 18 для подвода сжатого газа, а в верхней части установлена сборная улитка 19, соединенная с магистральными трубопроводами отвода добываемых продуктов. (Работа вихревых насосов «Хобот-Торнадо» описана в статье Садртдинова И.К., Мусаева А.М. Применение безлопастных тягодутьевых устройств в коммунальных и промышленных объектах для перемещения высокотемпературных и агрессивных газов/ Известия КГ АСУ, №1 (13), 2010, с 212-218). Для отбора вязких и расплавленных смол вихревой насос «Хобот-Торнадо» 16 снабжен фонтанными 20 и эрлифтными 21 трубами, обеспечивающими работу насосов в газообразной жидкой среде нефти и шламах выщелачивания при температурах до 600 градусов.
Разработка сланцевого месторождения начинается с минного разрыва сланцевых пластов 2. Взрыв зарядного состава осуществляется по частям, короткозамедленным способом, с воздушными промежутками, с целью снижения сейсмического действия взрыва и сохранения целиков 1. Воздействие на внутрипластовое давление после разрыва пласта 2 осуществляется через вертикальные части горизонтальных 5 и вертикальных скважин 15. Все добычные скважины 15 проходят перфорацию забоев, оборудуются вихревыми насосами “Хобот-Торнадо” 16 с фонтанно-эрлифтными трубами 20, 21.
После разрыва сланцевого пласта 2, метан и газоконденсатные составляющие не мигрируют в покровные пласты 3, за счет воздействия разряжения у забоев скважин 15, внутрипластовое давление изменяет вектор движения газообразных продуктов по трещинам пластов 2, направив их к забоям добычных скважин 15.
В процессе разрыва пород участвует волна сжатия, образующая ряд радиальных трещин, распространяющаяся равномерно во все стороны от подошвы пласта 2, и отраженная волна растяжения, вызывающая откольные разрушения в кровле пласта. Эти явления могут управляться изменением удельных расходов взрывчатых веществ.
В вихревых насосах “Хобот-Торнадо” 16 для создания восходящего вихря используются нефтяные газы или сжатый воздух под давлением не менее 2,0 МПа с тангенциальным подводом в конус - завихритель 17 через тангенциальный патрубок 18, снабженный насадкой Вентури. Вихревой восходящий поток у устья скважины 15 создает разряжение у забоя, оказывая воздействие на внутрипластовое давление по распределению его по вертикальным добычным скважинам 15. Вихревой поток из конуса-завихрителя 17 вихревого насоса «Хобот-Торнадо» 16 вместе с извлекаемыми продуктами поступает в сборную улитку 19 и переходит в магистральные трубопроводы или учетные установки.
В начальный период отбор из пластов газовой фазы осуществляется через фонтанную трубу 20, которая при необходимости может преобразоваться в эрлифтную трубу 21 при отборе вязких и расплавленных смол. Вихревой насос “Хобот-Торнадо” 16 может работать с газовой, газоконденсатной, жидкими и расплавленными смолами при температурах до 600 градусов
Сборка и монтаж зарядного состава осуществляется путем опускания в горизонтальную часть скважины 5 заряженных 6 и пустых 7 негерметичных контейнеров. Каждый контейнер на устье скважины 5 обматывается липкой лентой вместе с магистральными детонирующими шнурами 9 и 10 и закрепляющим тросом 8.
После завершения минного разрыва пласта и извлечения газов и газоконденсатов производят термический разогрев пластов 2, извлечение разжиженных нефтей и сланцевых смол. Для этого используют вертикальные части горизонтальных скважин 5, через которые подают высокотемпературные продукты сгорания под большим давлением в подошвенную часть разорванных, наиболее проницаемых пластов 2.
Повышение температуры пластов приводит к разжижению затвердевших и вязких сланцевых смол, которые извлекают добычными скважинами 15 без изменения их оснастки, т.е. с помощью вихревых насосов ”Хобот-Торнадо” 16.
При полном исчерпании разжиженных сланцевых смол, выгорании органических остатков и оформлении зольной части коллекторов приступают к следующей стадии разработки сланцевого месторождения выщелачиванию зольных частей сланцевых пластов для извлечения редкоземельных микроэлементов. Выщелачивание может быть комплексное или селективное, в зависимости от ценности извлекаемых металлов.
По мере отработки блоков, они могут использоваться как камеры, для возврата в недра использованных растворов и отходов нефтепереработки.
Разделение рудного поля сланцевого месторождения целиками 1 на блоки позволяет постадийно вести его разработку.
Предлагаемый модуль разработки сланцевых месторождений обеспечивает экологичность их выработки и возможность максимального приближения к развитым инфраструктурам мегаполисов, что позволяет, на базе неограниченных объемов полезных ископаемых, создавать многопрофильные перерабатывающие предприятия как органических базе неограниченных объемов полезных ископаемых, создавать многопрофильные перерабатывающие предприятия как органических составляющих, так и редкоземельных микроэлементов, некоторые из которых особенно ценны.
Экологическая и экономическая эффективность комплексной переработки добываемого сырья, значительно превысит традиционную добычу нефти и газа, особенно в тех регионах, где еще не нашли коммерческие нефть и газ.