Обоснование и разработка способов интенсификации извлечения метана из неразгруженных пластов с использованием горизонтальных скважин

Среди многих проблем, стоящих перед человечеством в начале нового тысячелетия, важное место занимает проблемы энергетические и экологические. И те и другие имеют прямое отношение к химии и технологии угля. Уголь, запасы которого существенно превышают запасы других видов органического топлива, в наступающем ХХ1 столетии будет играть важную роль с одной стороны как энергетическое сырье, с другой стороны как химическое сырье, являющееся практически неисчерпаемым источником и для органического синтеза, и для извлечения из него различных минеральных компонентов.

В тоже время природный уголь - один из самых экологически грязных видов топлива, так как неизбежно содержит большое количество потенциально опасных соединений. Поэтому неквалифицированное использование угля, как в энергетике, так и в химической промышленности, может приводить к существенному загрязнению окружающей среды. В результате промышленного развития стран мира и неограниченной хозяйственной деятельности в последние годы биосфера претерпела необратимые изменения, что привело к возникновению на земле экологического кризиса.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зозуля А.Д., Чакветадзе Ф.А., Разумняк Н.Л. «Разработка технологий использования и утилизации шахтного метана»; журнал «Уголь», № 1, 2008; с. 41-44.

2. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. второе издание, перевод с английского под ред. К.И. Щелкина и А.А. Борисова; Издательство «Мир»; Москва, 1968; 575 с.

3. Охрана окружающей среды при подземной разработке угольных месторождений. -М.: Наука, 1995. с. 20-41. ГДТТТ^

— Коротко об авторах -

Шилов А.А. - вед. научн. сотр., канд. техн. наук, Храмцова А.М. - студентка,

Московский государственный горный университет. --© В.А. Бобин, 2008

В.А. Бобин

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ

89

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ НЕРАЗГРУЖЕННЫХ ПЛАСТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ СКВАЖИН

^Заблаговременное извлечение метана из угольных месторо-

^^ждений по технологическим особенностям наиболее всего напоминает способы разработки традиционных газовых месторождений, хотя и имеет существенные отличия заключаются в том, что в угольных месторождениях основная часть метана находится в тесной сорбционной связи с угольным веществом, а проницаемость угольных пластов, как правило, на 1-2 порядка ниже проницаемости коллекторов традиционных газовых месторождений.

Исследования показали, что заблаговременное извлечение метана из угольных пластов, не подверженных влиянию горных работ, возможно лишь при изменении физико-меха-нических, термодинамических и фильтрационных свойств горного массива, что может быть осуществлено при применении специальных техногенных воздействий на углевмещающую толщу (пласт) [16].

При этом наиболее перспективным направлением работ считается использование скважин сложного профиля с горизонтальным окончанием ствола (горизонтальных скважин - ГС).

В связи с этим целью данной работы является обоснование возможности и целесообразности использования скважин с горизонтальным окончанием ствола для заблаговременного извлечения (промысловой добычи) газа из метаноугольных месторождений и разработка соответствующих способов интенсификации извлечения метана.

Идея работы состоит в том, чтобы за счет активного (техно -генного) воздействия на угольный пласт целенаправленного изменить свойства и характеристики угольного вещества, переводя устойчивую природную систему «уголь-метан» в новое, метаста-бильное состояние с выделением значительного количества метана.

Основой решения поставленной задачи послужили исследования в области анализа и оценки эффективности применения пластовых скважин для предварительной дегазации угольных пластов и борьбы с газодинамическими явлениями в шахтах (внезапными

90

выбросами угля и газа), обобщения условий применения и эффективности использования горизонтальных скважин при разработке нефтяных и газовых месторождений, а также оценки возможности использования скважин с горизонтальным окончанием ствола для извлечения метана из угольных пластов.

Кроме того, анализ патентной литературы в области увеличения проницаемости коллекторов углеводородов для интенсификации газовыделения из добычных скважин, способов возбуждения горизонтальных скважин и соединения двух и большего числа этих скважин, а также способов добычи углеводородов из скважин для двух и более горизонтов показал, что наиболее важными идеями, которые целесообразно использовать для разработки схем вскрытия угольных пластов с помощью вертикально-горизонтальных скважин являются идеи увеличения проницаемости пласта за счет формирования в горизонтальном участке скважины самовзрывающейся смеси, за счет гидровруба, ориентированного в вертикальной плоскости, и вибрационного воздействия, использующего геоэффект.

Например, идея увеличения проницаемости пласта реализуется в предложенном способе интенсификации извлечения метана на основе технологии бурения пластов по радиусам [7]. Он может быть использован при заблаговременной добыче метана угольных пластов.

Цель, достигаемая с помощью предлагаемого способа, заключается в повышении величин охватываемой площади коллектора (угольного пласта) до значений приемлемых для работы потребителей объемов добываемого метана и в сокращении затрат на бурение вертикально-горизонтальных скважин.

Указанная цель достигается тем, что горизонтальные стволы бурят из одного основного вертикально-восходящего ствола, при этом один из горизонтальных стволов бурят по простиранию, а другой - по падению угольного пласта, создавая сеть скважин, пробуренных по радиусам под углом к горизонтальным стволам, как по простиранию, так и по падению пласта, причем плоскости, в которых лежат сети скважин горизонтальных стволов, располагают параллельно друг другу.

На рис. 1-3 представлены различные варианты этого способа интенсификации газовыделения из газонасыщенного угольного массива. При этом способ осуществляют следующим образом.

91

С поверхности земли, где расположена буровая вышка 1, бурится один основной добычной вертикально-восходящий ствол 2, продолжение которого первый горизонтальный ствол 3 формируется в угольном пласте 4 с помощью технологии бурения по радиусам в направлении по восстанию угольного пласта. Далее с помощью той же технологии у первого горизонтального ствола формируется сеть скважин 5,пробуренных по пласту на заданное расстояние. Далее, используя тот же вертикально-восходящий ствол 2, бурят второй горизонтальный ствол 6 перпендикулярно первому горизонтальному стволу 3 так, чтобы его направление совпадало с направлением пласта по простиранию угольного пласта, после чего с помощью технологии бурения по радиусам формируют сеть скважин 7 также на заданное расстояние (рис. 1). При этом плоскости, в которых расположены сети скважин 5 и 7 могут совпадать (рис. 2) или быть компланарными (рис. 3).

Схема вскрытия угольного пласта, изображенная на рис.1, применима для угольных пластов средней мощности (не более 3-х метров), причем бурение горизонтальных стволов необходимо проводить с учетом макроструктуры угольного пласта и наличия в нем пропластков, т.е. с учетом его конкректного геологического строения. Это с одной стороны существенно облегчит сам процесс бурения и снизит затраты на его проведение, в также ускорит процесс газоистощения угольного пласта за счет более высокого дебита угольного метана. В свою очередь схема вскрытия на рис. 2 может быть использована для мало мощных пластов.

В случае совпадения плоскостей, в которых расположены сети скважин горизонтальных стволов, проницаемость угольного пласта в этой плоскости значительно увеличивается по сравнению с вариантом компланарного расположения этих плоскостей. Для случая разработки угольного пласта большой мощности (более 3-х метров) целесообразно, чтобы число пар

92

Рис. 1

Рис. 2

Рис.3

взаимно перпендикулярных горизонтальных стволов было больше одной, а расстояние по вертикали между ними составляло величину, равную радиусу эффективного действия горизонтальной ствола (рис. 3). Этот технологический прием также приводит к увеличению проницаемости угольного пласта, а также к увеличению газовыделения из угольного пласта и увеличению уровня его добычи. При этом осуществляют перфорацию эксплуатационных колонн горизонтальных стволов.

Образование внутри угольного пласта системы скважин приводит к формированию свободных поверхностей, с которых начинается интенсивная десорбция метана, который по образованным фильтрационным каналам поступает в горизонтальные стволы и далее через вертикально-восходящий добычной ствол поднимается на поверхность.

93

Идея способа интенсификации извлечения метана с помощью горизонтальных скважин с образованием в пласте отдельной добычной зоны возникла при изучении известного способа вскрытия углеводородосодержащего пласта, включающего вскрытие такого пласта с помощью ориентированного гидроразрыва [8], который заключается в бурении инициирующих скважин, создании в скважинах инициирующих полостей, герметизации этих полостей и формировании трещины гидроразрыва пород нагнетанием в них жидкости.

Целевое назначение предлагаемого способа состоит в образовании в угольном пласте добычной зоны угольного метана, сформированной трещинами гидроразрыва в породах кровли и почвы, с возможностью оказания на эту зону периодического вибровоздействия, интенсифицирующего газовыделение в горизонтальной части добычной скважины.

Указанная цель достигается тем, что зону добычи угольного метана создают инициирующими скважинами и полостями в них с формированием трещин гидроразрыва нагнетанием в полости жидкости под давлением в породах почвы и кровли угольного пласта на расстоянии (0,5 - 1) м соответственно выше кровли и ниже почвы пласта. Численное значение этого расстояния определяется строением вмещающих пород, и должно обеспечить невозможность формирования трещин гидроразрыва в плоскости перпендикулярной пласту, но только вдоль линии кровли и почвы пласта.

Независимо друг от друга герметизируют две гидродинамические системы, включающая каждая инициирующую скважину, полость и соответствующую трещину гидроразрыва, и присоединяют их к пульсирующим гидродинамическим источникам, а затем проводят вибровоздействие путем нагнетания в соответствующую гидродинамическую систему рабочей жидкости в пульсирующем режиме, причем вибровоздействие в гидродинамических системах должно осуществляться так, чтобы амплитуда, частота и фаза вибровоздействия в гидродинамических системах совпадали по величине.

На рис. 4 представлена схема вскрытия добычной зоны газонасыщенного угольного пласта [9].

Способ, реализующий предлагаемую схему интенсификации процесса газовыделения метана из угольного пласта, осуществляют следующим образом.

94

Рис. 4

Бурят инициирующую скважину 1 так, чтобы забой скважины находился на расстоянии порядка (0,5-1) м выше кровли пласта, создают в скважине инициирующую (зародышевую) полость 2 (рис. 4). Затем бурение инициирующей скважины продолжают буром меньшего диаметра, а заканчивают, когда забой скважины 3 будет на (0,5-1) м ниже почвы пласта, далее создают инициирующую полость 4. Далее полости 2 и 3 герметизируют независимо друг от друга, каждая из которых образует свою гидродинамическую систему нагнетания соответственно 4 и 5. После герметизации полостей 2 и 3 одновременно в породах почвы и кровли формируют трещины гидроразрыва 7 и 8 с помощью нагнетания в них жидкости под давлением. Именно между трещинами гидроразрыва форируется так называемая добычная зона.

Далее гидродинамические системы 4 и 5, включающие инициирующую скважину, полость и трещину гидроразрыва, присоединяют к пульсирующим гидродинамическим источникам 9 и 10.

При этом трещины гидроразрыва формируют в породах почвы и кровли угольного пласта на расстоянии (0,5-1) м. Такое значение породных прослоек, между которыми находится угольное вещество пласта, обусловлено, во-первых, необходимостью образовать прочную верхнюю и нижнюю границы добычной зоны угольного пласта, которые бы не разрушались в результате последующего

95

виброволного воздействия на эту зону, а, во-вторых, энергетическими возможностями пульсирующих источников, вибрирующих в целом массивную добычную зону пласта.

Затем проводят вибровоздействие путем нагнетания в соответствующую гидродинамическую систему 5 и 6 рабочей жидкости в пульсирующем режиме, причем вибровоздействие в гидродинамических системах должно осуществляться так, чтобы амплитуда, частота и фаза вибровоздействия в гидродинамических системах совпадали по величине. Необходимость выполнения этих условий обусловлена созданием в угольном пласте сжимающих и растягивающих напряжений, при которых образуются микро- и макротрещины с образованием разветвленного фильтрационного пространства, проницаемость которого по мере осуществления внешнего воздействия только увеличивается, чем и обеспечивается необходимый приток метана к горизонтальному участку добычной скважины. Причем вертикальная часть 11 добычной скважины бурится вне контура добычной зоны пласта 12, а горизонтальная часть 13 ее пересекает добычную зону по всей длине.

В результате метан, выделяющийся из угольного пласта через системы микро- и макротрещин, образованные в результате вибровоздействия на добычную зону пласта 12, поступает в фильтрационное поровое хорошо проницаемое пространство, потом в горизонтальный участок 13 добычной скважины и далее на поверхность.

В свою очередь способ интенсификации извлечения ме-тана из угольного пласта с образованием в нем устойчивой системы сквозных вертикальных трещин реализует идею формирования зоны перетока между частями пласта для по-вышения гидродинамической связи между ними и дальней-шую изоляцию гидродинамической перемычки для исключе-ния смешивания углеводородов с нежелательными примеся-ми [10].

С его помощью в угольном пласте создается устойчивая система сквозных вертикальных трещин, которые вместе с трещинами гидроразрыва в породах почвы и кровли пласта формируют обширную газопроницаемую зону, газодинамически связанную с объемом инициирующей полости.

96

Рис. 5

Указанная цель достигается тем, что инициирующие полости создают, а трещины гидроразрыва одновременно формируют соответственно в породах почвы и кровли угольного пласта на расстоянии, равном 0,1 т, где т-мощность пласта; охлаждают слои почвы и кровли, примыкающие к пласту, жидким азотом нагнетанием его в пласт через трещины гидроразрыва, образованные в породах почвы и кровли, с формированием в этих слоях породы системы инициирующих полостей, ориентированных в вертикальной плоскости сечения пласта, а затем формируют через них систему трещин гидроразрыва, насквозь пересекающих угольный пласт по мощности и гидродинамически соединяющих между собой трещины гидроразрыва, сформированные в породах почвы и кровли.

На рис. 5 представлена схема вскрытия газовой залежи угольного пласта [11].

При этом реализация схемы вскрытия осуществляют следующим образом.

Бурят инициирующую скважину 1 так, чтобы забой скважины находился на расстоянии порядка 0,1т, где т - мощность угольного пласта; выше кровли пласта, создают в скважине инициирующую (зародышевую) полость 2 (рис. 5). Затем бурение инициирующей скважины продолжают, а заканчивают, когда забой скважины будет на 0,1т ниже почвы пласта, далее создают инициирующую полость 3. Далее полости 2 и 3 герметизируют независимо

97

друг от друга, каждая из которых образует свою систему нагнетания соответственно 4 и 5. После герметизации полостей 2 и 3 одновременно в породах почвы и кровли формируют трещины гидроразрыва 6 и 7 с помощью нагнетания в них жидкости под давлением.

Таким образом, в результате создания трещин гидроразрыва в породах почвы и кровли угольного пласта в пространстве будет сформирован объем, который при виде на него сверху геометрически похож на цилиндр с неправильной боковой поверхностью.

Дальнейшие операции способа направлены на создание в этом объеме системы трещин, значительно увеличивающей его проницаемость. Для этого в трещины гидроразрыва 6 и 7 нагнетают жидкий азот с температурой - 170 0С с целью значительно охладить слои породы почвы и кровли, примыкающие к пласту, для того, чтобы сформировать в них системы зародышевых трещин 8 и 9, являющиеся по сути трещинами сжатия, ориентированных в вертикальной плоскости, кончики которых достигают поверхности угольного пласта 10. Затем через системы нагнетания 4 и 5 подают жидкость под высоким давлением и формирую систему трещин гидроразрыва 8 и 9, насквозь пересекающих угольный пласт по мощности и гидродинамически соединяющих между собой трещины гидроразрыва, сформированные в породах почвы и кровли.

Вертикальная часть 11 добычной скважины бурится вне контура добычной зоны пласта 12, а горизонтальная часть 13 ее пересекает добычную зону по всей длине.

В результате метан, выделяющийся из угольного пласта через образованные системы микро- и макротрещин поступает в горизонтальный участок 13 добычной скважины и далее на поверхность.

По результатам проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1) осуществлена разработка комплекса способов интенсификации извлечения метана из метаноугольных месторождений с применением скважин сложного профиля с горизонтальным окончанием ствола.

2) предложенные способы позволяют сформировать в пласте (углевмещающей толще или продуктивном ее интервале) зону дренирования с радиусом влияния, составляющим несколько сотен метров, что обеспечивает длительность эффективной добычи

98

угольного метана в течение нескольких лет при необходимых для промышленного использования объемах добываемого метана;

3) использование скважин с горизонтальным окончанием ствола, как основного элемента технологии заблаговременного извлечения метана угольных пластов, целесообразно для освоения свиты угольных пластов мощностью 2 и более метров, залегающих в различных горно-геологических условиях на глубине до 1,5-2 км.

1. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. - М.: Недра, 1979, 346 с.

2. Васючков Ю.Ф. Физико-химические способы дегазации угольных пластов. - М.: Недра, 1986, 255 с.

3. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. - М.: Изд-во МГГУ, 1996, 273 с.

4. Трубецкой К.Н. и др. О развитии исследований и разработок по вопросам добычи метана угольных пластов, ГИАБ бюллетень, 1996, вып.4, с.13-18.

5. Современные проблемы шахтного метана. - М., Изд-во МГГУ, 1999, 320 с.

6. Гурьянов ВВ., Бобин В.А. Формы нахождения метана в углях и геотехнологические методы дегазации угольных пластов. Ростов-на Дону, Изд-во СКНЦ ВШ, 2000, 62 с.

7. Патент РФ № 2211308 «Способ вскрытия угольного пласта для добычи метана». Трубецкой К.Н., Бобин В. А., Гурьянов В.В. Бюл. № 24, 2003.

8.Патент РФ №1535992, кл.Е 21 В 41/18, 43/00. Бюл. № 2, 1990.

9. Патент РФ № 2211322 «Способ вскрытия углеводородсодержащих пластов». Трубецкой К.Н., Бобин В. А., Гурьянов В.В. Бюл. № 24, 2003.

10. Патент РФ №1627673, кл.Е 21 В 43/00. Бюл. № 6, 1991.

11. Патент РФ № 2211323 «Способ добычи угольного метана из неразгруженных пластов». Бобин В.А., Бобин А.В. Бюл. № 24, 2003. шыа

— Коротко об авторе

Бобин В.А. - ИПКОН РАН.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

© В.А. Бобин, 2008

В.А. Бобин

ТЕОРИЯ ТРАНСФОРМАЦИИ ПРИРОДНОЙ

99