Способ направленного гидроразрыва угольного пласта
METHOD OF DIRECTED HYDRAULIC FRACTURING OF COAL BED

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу, в частности к технологиям интенсификации дегазации угольных пластов методом гидравлического разрыва пласта (ГРП).
Гидравлический разрыв пласта является способом воздействия на горный массив, при котором в изолированный интервал скважины нагнетают жидкость под давлением, что приводит к формированию в пласте трещины. Направление ее распространения преимущественно зависит от действующих в массиве напряжений и ориентации природной трещиноватости. В то же время, желаемое направление развития трещины может не совпадать с тем, которое определяется полем напряжений. Неуправляемый характер развития трещин затрудняет формирование систем трещин заданной конфигурации, например, для повышения темпов и степени дегазации при подземной разработке газоносных угольных пластов (см. Инструкцию по дегазации угольных шахт от 01.12.2011, №679).
Установлено, что способность пласта к газоотдаче определяется его проницаемостью, а эффективность дегазации - фильтрационным сопротивлением зоны дренирования дегазационной системы, первичными элементами которой являются необсаженные скважины, пробуренные из горных выработок. Согласно анализу фильтрационных сопротивлений, максимальный дебит метана достигается при использовании нескольких скважин, в которых созданы протяженные продольные трещины гидроразрыва в плоскости пласта (см. Сердюков С.В., Курленя М.В., Рыбалкин Л.А., Шилова Т.В. Влияние гидроразрыва угля на фильтрационное сопротивление зоны дренирования дегазационной скважины // ФТПРПИ. -2019. - №2. - С. 3-13.). Дегазационные схемы на основе одиночных скважин, скважин с продольной вертикальной трещиной или скважин с несколькими поперечными трещинами показывают более высокие значения фильтрационного сопротивления зоны дренирования, что снижает эффективность дегазации.
Отметим, что использование стандартной методики и средств шахтного ГРП чаще всего приводит к неконтролируемому развитию трещины с выходом в кровлю и подошву горизонтального угольного пласта, что не является оптимальным вариантом для целей дегазации с точки зрения фильтрационного сопротивления подобной системы. Для выполнения направленного гидроразрыва используют такие способы, как нарезание инициирующих щелей на забое и стенках скважины, изменение напряженного состояния в окрестности скважины, группирование горизонтальных и вертикальных скважин, однако, не все из них можно использовать для создания протяженных трещин гидроразрыва в плоскости угольного пласта.
Известен способ проведения направленного гидроразрыва пласта в двух горизонтальных стволах скважины по патенту РФ №2401943 (МПК Е21В 43/26, опубл. 20.10.2010 г., бюл. 29), включающий забуривание из вертикальной скважины двух горизонтальных стволов, их перфорацию, затем спускают в каждый горизонтальный ствол обсадную колонну, а перфорацию в горизонтальных стволах скважины проводят с помощью гидромеханического щелевого перфоратора за одну спуско-подъемную операцию в каждом горизонтальном стволе скважины, азимутально сориентированную по направлению от одного горизонтального ствола скважины к другому в одной вертикальной плоскости, проходящей параллельно оси вертикальной скважины и перпендикулярно оси нижнего горизонтального ствола скважины, после чего закачку жидкости разрыва и песконосителя производят в каждый горизонтальный ствол.
Известен способ ориентирования трещин гидравлического разрыва в подземном пласте, вскрытом горизонтальными стволами по патенту РФ №2591999 (МПК Е21В 43/17, Е21В 43/267, опубл. 20.07.2016 г., бюл. 20), включающий закачку первой жидкости гидроразрыва в первый горизонтальный ствол под давлением для создания поля напряжений вокруг заданного сегмента ствола, одновременную закачку второй жидкости гидроразрыва под давлением, содержащей частицы расклинивающего агента, во второй горизонтальный ствол, расположенный на некотором расстоянии по вертикали от первого ствола с целью формирования трещин, распространяющихся от выбранных сегментов второго ствола по направлению к выбранным сегментам первого ствола.
Известен способ разработки плотных карбонатных залежей нефти по патенту РФ №2627338 (МПК Е21В 43/26, Е21В 43/27, опубл. 07.08.2017 г., бюл. 22), включающий бурение скважин с горизонтальным окончанием, цементирование в горизонтальном стволе кольцевого пространства между обсадной колонной и коллектором, вторичное вскрытие залежи с ориентированным направлением перфорационных отверстий в один ряд, проведение многостадийного гидравлического разрыва пласта.
К недостаткам известных способов по патентам РФ №2401943, №2591999 и №2627338 относится значительный объем дополнительных работ, связанный с установкой и цементированием обсадных колонн в горизонтальные стволы скважины, а также сложность создания ориентированных в заданном направлении перфорационных отверстий и щелей для управления траекторией развития трещин гидроразрыва, что снижает общую эффективность проводимых работ по интенсификации дегазации угольного массива методом ГРП.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ проведения локального направленного гидроразрыва пласта (патент РФ №2335628, МПК Е21В 43/26, опубл. 10.10.2008 г., бюл. 28), включающий определение напряженных зон в пласте-коллекторе необсаженного ствола скважины сейсмическим зондированием методом рассеянных волн, бурение боковых параллельных стволов малого диаметра вдоль оси главных напряжений сжатия горного массива, при этом расстояние между параллельными горизонтальными стволами выбирают из условия обеспечения их устойчивости и проведения вертикального гидроразрыва по длине горизонтальных стволов с обеспечением движения трещин навстречу друг другу и их слияния с вовлечением в разработку целиков нефти, ее тупиковых и застойных зон в пласте с подошвенной водой или в пласте с выше и нижележащей водой.
К недостаткам этого способа относится необходимость выполнения дополнительных работ по определению напряженных зон в массиве, высокие затраты на бурение боковых стволов меньшего диаметра нестандартным оборудованием, сложность обеспечения параллельности траекторий при бурении боковых стволов, что снижает эффективность способа для решения задачи дегазации угольных пластов.
Предлагаемое решение проблемы состоит в повышении эффективности интенсификации дегазации угольного массива за счет снижения фильтрационного сопротивления зоны дренирования, которое достигается путем формирования продольной трещины гидроразрыва в плоскости пласта.
Поставленная задача решается тем, что в способе направленного гидроразрыва угольного пласта, включающего бурение вдоль пласта скважины, герметизацию интервала разрыва скважины, подачу в загерметизированный интервал жидкости под давлением и формирование в пласте трещины, согласно техническому решению, в интервале разрыва заблаговременно бурят боковой ствол, ориентированный под углом 15-40 градусов к скважине, обеспечивающим условие устойчивого развития трещины в плоскости, образованной скважиной, местом зарезки бокового ствола и боковым стволом.
Указанная совокупность существенных признаков позволяет повысить отбор углеметана из массива путем создания продольной трещины гидроразрыва в пласте. Расположение продольной трещины в плоскости пласта является наиболее эффективным для снижения фильтрационного сопротивления рассматриваемой системы. Формирование концентратора напряжений в месте зарезки бокового ствола способствует началу роста трещины из этой окрестности при подаче жидкости под давлением. В дальнейшем трещина в процессе распространения соединяет скважину и боковой ствол, или несколько боковых стволов, в единую фильтрационную систему. При этом достигается значительный экономический эффект, так как при реализации предлагаемого способа не требуется обсадка скважины и боковых стволов, а также нет необходимости использовать дорогостоящие станки направленного бурения для обеспечения параллельности боковых стволов в пласте.
Из скважины может быть пробурено несколько боковых стволов и выполнен последовательный гидроразрыв, например, с использованием двух пакеров для отсечения заданного интервала разрыва, что позволяет создать несколько продольных трещин с различным расположением плоскостей их распространения и значительно увеличить зону отбора метана в угольном пласте, снизить фильтрационное сопротивление зоны дренирования, повысить эффективность дегазации.
Скважина может быть ориентирована по направлению минимального сжимающего напряжения пород, действующего вдоль пласта, что в случае угольных пластов, в которых часто наблюдается превышение горизонтальных напряжений над вертикальным, приводит к распространению трещины преимущественно в плоскости пласта и повышению эффективности дегазации.
Скважина может быть искривлена в плоскости пласта, а боковой ствол или несколько боковых стволов бурят в направлении, противоположном её искривлению, или бурят больше одного бокового ствола по одну или разные стороны от скважины, или боковые стволы бурят, чередуя вдоль скважины то по одну, то по другую стороны от неё, при этом длина боковых стволов может составлять 5-50 метров, что позволяет значительно увеличить зону охвата угольного пласта трещинами гидроразрыва, снизить фильтрационное сопротивление зоны дренирования и повысить эффективность дегазации.
Предлагаемый способ поясняется на чертеже, где показана скважина, из которой пробурен один боковой ствол. Для проведения гидроразрыва угольного пласта с целью формирования продольной трещины из горной выработки 1 бурят скважину 2 с зарезкой бокового ствола 3. Затем с помощью бурового става, либо другим способом, подают пакер 4 и устанавливают его до места зарезки бокового ствола 3 для герметизации участка скважины вместе с боковым стволом. После этого через пакер 4 нагнетают жидкость разрыва, например воду, в изолированный интервал. При этом в области 5, содержащей концентратор напряжений, который формируется в месте зарезки бокового ствола, начинается рост трещины 6 гидроразрыва. В результате трещина 6 гидроразрыва развивается продольно и соединяет скважину 2 и боковой ствол 3 в единую фильтрационную систему, что значительно повышает эффективность дегазации. Бурение бокового ствола выполняют под углом 15-40 градусов к скважине, обеспечивающим условие устойчивого развития трещины в плоскости, образованной скважиной, местом зарезки бокового ствола и боковым стволом.