EA030263B1

EA030263B1 - Способ разработки газоносных и низкопроницаемых угольных пластов

Info

Publication number: EA030263B1
Application number: EA201490168A
Authority: EA
Inventors: Иан Грэй
Original assignee: Иан Грэй
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2018-07-31
Also published as: EA201490168A1; WO2012174586A2; EP2723986A4; AU2012272545B2; EP2723986A2; WO2012174586A3; US9273553B2; CA2840118A1; AU2012272545A1; CN103781993A; US20140117739A1

Abstract

Способ дегазации угольного пласта путем бурения наклонно-направленной скважины в породной формации, примыкающей к угольному пласту или между двумя различными угольными пластами. Затем в скважине повышают давление для разрушения прилегающего(их) угольного(ых) пласта(ов) с целью повышения его проницаемости и выделения текучих сред из угольного пласта в ствол скважины для их последующего удаления из угольного пласта.

Description

Настоящее изобретение применимо к ситуации, в которой имеется либо единичный пласт, либо несколько последовательных газоносных угольных пластов, и ни один из пластов не является достаточно проницаемым для предварительного дренирования газа известным способом путем бурения вертикальных или пластовых скважин. Для обеспечения разработки шахт и выемочных штреков внутри угольного пласта исключительно важно осуществить дренирование газа из угольного пласта во избежание проблем с выбросами, потенциальным воспламенением газовоздушной смеси в угольном забое или иных проблем, связанных с выделением газа из пласта.

Способ, в соответствии с которым обеспечивается дренирование газа из угля, заключается в бурении скважины либо в угольном пласте, либо предпочтительно в более прочных породах, прилегающих к угольному пласту, что позволяет предотвратить обрушение ствола скважины. Бурение указанной скважины осуществляется предпочтительно с использованием техники наклонно-направленного бурения. В случае бурения скважины в породах, прилегающих к угольному пласту, ствол скважины может быть пройден при значительно меньшем отклонении ствола скважины по сравнению со стволом скважины, проходка которого осуществляется непрерывно в пласте, т.к. в этом случае нет необходимости точно следовать направлению расположения угольного пласта. На пробуренные скважины воздействуют жидкостью для достижения гидравлического разрыва пласта или используют иные технологии для обеспечения дренирования пласта. В предпочтительном случае, в котором бурение осуществляется в породах, прилегающих к угольному пласту, предпочтительным способом воздействия на пласт является гидравлический разрыв пласта от скважины через породы, в которых расположена скважина до угольного пласта. Использование пропанта в текучей среде для гидравлического разрыва пласта позволяет разлому оставаться открытым как в породе, окружающей угольный пласт, так и в самом угольном пласте. Таким образом, исключаются проблемы, связанные с обрушением ствола скважины в угольном пласте.

За счет использования способов, описание которых приведено в настоящей заявке, газ дренируют из угля до уровня, обеспечивающего безопасную проходку штреков в пласте. Указанные способы также могут быть использованы для дренирования газа из угля в выемочных участках угля, разрабатываемых длинными очистными забоями. Предпочтительный способ дегазации выемочных участков угля, разрабатываемых длинными очистными забоями, если позволяют наземные условия, заключается в проходке щели в угольном пласте между выемочными штреками. Щель должна быть соответствующей высоты (как правило, 150 мм) для достижения разгрузки от напряжения внутри пласта. Щель используется отдельно или в сочетании с системой скважин в пласте или в породах, окружающих угольный пласт, и используемых для удаления газа при возникновении эффекта разгрузки от напряжения, создаваемого щелью. Предпочтительный способ создания щели заключается в протягивании цепи или троса, снабженных режущими кромками, в виде бесконечной петли между выемочными штреками. При заедании цепи ее можно отсоединить и оставить в угольном пласте до ее освобождения в процессе добычи угля длинным очистным забоем. Нет необходимости прекращать процесс резки в подобном случае. Процесс резки может быть возобновлен путем бурения скважины по длиннозабойному выемочному участку, предпочтительно используя способы направленного бурения и пропуская другую режущую цепь через скважину. В альтернативном примере осуществления настоящего изобретения используются скважины, пробуренные по длиннозабойному выемочному участку, которые, в конечном счете, прорезаются для выполнения щелей с использованием струи воды под давлением для разгрузки угольного пласта от напряжения.

В одном примере осуществления настоящего изобретения процесс прорезания щелей может осуществляться по всей длине длиннозабойного выемочного участка. В другом примере осуществления настоящего изобретения щель прорезается только для начальной части длинного очистного забоя с целью обеспечения работы длиннозабойной врубовой машины в дегазированной среде. В процессе добычи угля может произойти значительное обрушение угольного пласта при соответствующих геологических условиях перед забоем, где в длинном очистном забое происходит выделение газа до добычи угля. В таких случаях было бы предпочтительно произвести отвод газа с помощью дренажных скважин в пласте или в породе, окружающей угольный пласт.

При проходке длинного очистного забоя происходит разгрузка окружающих пород или пластов от напряжения и существенно повышается проницаемость. Сбор газа производится путем бурения скважин в указанных породах, и газ отводится путем создания разрежения в трубопроводной системе в целях предотвращения его попадания в систему шахтной вентиляции. Разработка других пластов в последовательности может быть предпринята за счет повышения проницаемости указанных пластов и за счет сбора газа из них с помощью дренажных скважин, предпочтительно работающих при создании в них разрежения.

- 2 030263

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 проиллюстрирована последовательность угольных пластов 1-6 в угленосных породах. Пласты 5 и 6 дегазируются с помощью скважины, на которую воздействовали с использованием способа гидравлического разрыва пласта. На вставке проиллюстрировано поперечное сечение скважины и двух пластов, разрушенных гидравлическим разрывом.

На фиг. 2 проиллюстрировано поперечное сечение на фиг. 1, на котором выемочные штреки для длиннозабойной панели были в последующем пройдены на участке, дренированном за счет эффекта гидравлического разрыва пласта от скважин, пробуренных ниже выемочных штреков.

На фиг. 3 проиллюстрирован монтажный штрек, проходка которого осуществляется между выемочными штреками длинного очистного забоя, при этом в длиннозабойном выемочном участке прорезается щель для разгрузки пласта от напряжения и повышения его проницаемости.

На фиг. 4 проиллюстрирована разработка пласта 5 длинными очистными забоями, в котором пробурены скважины для дренажа из участка, нарушенного путем удаления породы из пласта.

На фиг. 5 проиллюстрирован разрез последовательности с разработкой пласта 5. На фиг. проиллюстрированы скважины дренирования выработанных пространств, по которым удаляется газ из зоны повышенной проницаемости, достигнутой в результате разработки пласта.

На фиг. 6 проиллюстрирована разработка пласта 4 длинными очистными забоями после разработки пласта 5. Газ удаляется через несколько скважин, пробуренных из выемочного штрека.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 проиллюстрирован разрез последовательности угольных пластов 1-6 в последовательности осадочных пород 7. Между двумя нижними пластами 5 и 6 пробурена горизонтальная скважина 8. Скважина 8 была предпочтительно пробурена с использованием техники наклонно-направленного бурения и, возможно, она была пробурена с поверхности или от подземного участка. В этом случае скважина 8 была пробурена между пластами в горизонтальной породной формации, которая является более прочной, чем угольные пласты и, следовательно, в скважине не произойдет обрушения стенок. От скважины 8 сформировано несколько гидравлических разломов 9, которые в данном случае направлены вверх внутрь пласта 5 и вниз внутрь пласта 6. Вертикальные гидравлические разломы 9 образуют проходы для дренажа текучей среды из пластов 5 и 6. Зачастую только один пласт подвергается гидравлическому разрыву для обеспечения дренажа, а не сразу два угольных пласта 5 и 6, как показано на рисунке. Может возникнуть необходимость откачки воды из скважины 8 для понижения ее уровня в целях предварительного дренажа газа из пластов. Указанный процесс не показан на данном рисунке. Ствол скважины 8 может быть обсажен цементированными обсадными трубами до операции перфорирования и гидравлического разрыва пласта.

На фиг. 2 проиллюстрирован разрез через две расположенные на расстоянии друг от друга скважины 8 и 10, при этом угольные пласты были подвержены гидравлическому разрыву 9, и выемочные штреки 11 - 14 для разработки длинными очистными забоями были пройдены в дренированной зоне пласта 5. Предварительное дренирование, достигнутое с помощью скважин и гидравлического разрыва угольного пласта, обеспечивает проведение разработки при низких уровнях газа.

На фиг. 3 проиллюстрирован разрез между выемочными штреками на фиг. 2. На чертеже проиллюстрировано создание горизонтальной щели 15 в угольном пласте 5, от длиннозабойного монтажного штрека 16 в длиннозабойный выемочный участок 17, предназначенный для добычи угля. Цель создания щели 15 заключается в разгрузке от напряжения пласта 5 для выделения из него газа до начала разработки пласта. Сбор указанного газа предпочтительно производится скважинами, которые бурятся либо в угольном пласте, либо в прилегающей породе, и из которых газ удаляется за счет создаваемого в скважинах разрежения. Указанные скважины не показаны на данном рисунке. Щель 15 может быть создана с помощью зубчатой цепи или зубчатого троса, конструкция которых при движении цепи или троса позволяет эффективно прорезать щель 15 в угольном пласте. Режущая цепь с присоединенными к ней режущими кромками может быть снабжена звеньями, предназначенными для зацепления с зубчатым приводным колесом или аналогичным элементом, приводимым в действие двигателем или электродвигателем. Другое зубчатое колесо может быть установлено на удаленном участке в выемочном штреке для обеспечения перемещения цепи в противоположном направлении. Зубчатое колесо, расположенное на удаленном участке, может представлять собой ведомое зубчатое колесо. Трос с присоединенными к нему режущими кромками может приводиться в действие с помощью фрикционного механизма или с использованием ведущей и ведомой катушки.

Щель 1 может закрыться под воздействием напряжения позади длиннозабойного выемочного участка, где осуществляется ее прорезание. На вставке рисунка показана щель 15 в пласте 5 по линии разреза В-В. Очевидно, что нет необходимости прорезать щель 15 на полную длину длиннозабойного выемочного участка 17, т.к. после удаления значительного количества выемочного участка 17 путем проведения разработки длинными очистными забоями напряжения опорного целика могут при благоприятных горно-геологических условиях привести к разрушению угольной стенки перед длинным очистным забоем, в результате чего обеспечивается повышенная проницаемость. Кроме того, щель 15 может быть прорезана с помощью водяной струи высокого давления для проходки щели 15 от скважин, пробуренных в

- 3 030263

длиннозабойном выемочном участке угольного пласта.

На фиг. 4 проиллюстрирована разработка длинными очистными забоями длиннозабойного выемочного участка 17 из пласта 5 методом длинных очистных забоев с применением в данном случае комплексной механизированной крепи 18 и врубовой машины 19, производящей вруб в забое 20-угольного пласта 5. Позади длинного очистного забоя бурятся скважины дренирования 21 выработанных пространств. Указанные дренажные скважины 21 бурятся из выемочных штреков и обычно дренажные скважины работают при разрежении для откачки газа из забоя, в котором врубовая машина 19 производит вруб в пласт угля. В ряде случаев дренажные скважины 21 могут быть пробурены перед забоем 20 угольного пласта 5 в зависимости от того, достигается ли эффект разгрузки от напряжения перед длинным очистным забоем.

На фиг. 5 проиллюстрирован разрез через длиннозабойный выемочный участок и непосредственно перед забоем 20, проиллюстрированном на фиг. 4. На рисунке проиллюстрировано образование разломов, обусловленных проведением разработки длинными очистными забоями и расположением скважин дренирования 21 выработанных пространств, пробуренных из внешнего выемочного штрека 1. Газ втягивается в указанные скважины 21 путем создания в них разрежения.

На фиг. 6 проиллюстрирована разработка длинными очистными забоями угольного пласта 4, расположенного над выработанным угольным пластом 5. Проиллюстрированная на данном рисунке добыча угля производится по системе разработки длинными очистными забоями с использованием комплексной механизированной крепи 22 и врубовой машины 23, производящей вруб в забое 24 угольного пласта 4. Скважины 25, выполненные для дренирования газа перед забоем 24, были пробурены из выемочных штреков. Дренирование ведется за счет разломов и трещин, образованных при разработке угольного пласта 5 с целью повышения проницаемости. Дополнительные скважины 26 пробурены позади длинного очистного забоя 24 для дальнейшего дренирования после прохождения длинного очистного забоя.

Вышеприведенное описание процесса дегазации угольных пластов предусматривает создание разломов и трещин угольного пласта при использовании гидравлического оборудования высокого давления, однако воздействие на формацию может быть осуществлено при использовании способов создания разломов за счет энергии высокоэнергетического газа, образующегося при воспламенении заряда в стволе скважины, характеризующегося более медленной скоростью горения по сравнению со взрывчатым веществом. Примером заряда, приемлемого для данного процесса, может служить заряд, аналогичный ракетным твердотопливным зарядам для воспламенения топлива, обладающий скоростью горения и характеристиками давления, которые могут быть подобраны для использования в данной области техники. Заряд располагают вблизи угольного пласта, помещая его в цилиндрический контейнер и опуская указанный цилиндрический контейнер в скважину, которую затем герметизируют. Такой цилиндрический контейнер далее может быть воспламенен для образования газа высокого давления, истекающего из ослабленных участков в цилиндрическом контейнере.

Принципы и концепции настоящего изобретения применимы к ситуации, в которой предусматривается дренирование угольного пласта, который не может быть предварительно дренирован с помощью скважин, проходящих через угольный пласт, или с помощью пластовых скважин. Причины, обуславливающие практическую нецелесообразность дренирования угольных пластов с помощью указанных способов, могут заключаться в отсутствии проницаемости угольного пласта без воздействия на него, в обвале стенок стволов скважин, пробуренных в угольном пласте, в невозможности установки пакера в угле для обеспечения воздействия на пласт и (или) в невозможности крепления стволов скважин обсадными трубами для обеспечения воздействия изнутри угольного пласта.

Настоящее изобретение предусматривает бурение скважин в прилегающих к угольному пласту породах, обладающих достаточной прочностью для надежного поддержания устойчивости ствола скважины в процессе бурения. Предпочтительно, чтобы ствол скважины был укреплен обсадными трубами, цементируемыми на месте посадки и затем перфорированными. Если малое главное напряжение в формации распространяется приблизительно параллельно угольному пласту, то в этом случае используют процесс гидравлического разрыва пласта для соединения скважины с угольным пластом. Указанный процесс повторяют несколько раз по всей длине ствола одной скважины и в требуемом количестве скважин для дренирования газа из угольного пласта. Гидравлический разрыв будет проходить через перфорацию обсадных труб, через формацию, в которой пробурена скважина и в массив угольного пласта. Ввиду того, что большинство видов углей характеризуется более низким модулем упругости по сравнению с окружающими их породами, напряжение в угле ниже, и гидравлический разрыв предпочтительно будет распространяться внутри угольного пласта. Общепринятая практика заключается, как правило, в добавлении гранулированного пропанта к жидкости для создания гидравлического разрыва с целью предотвращения полного закрытия разломов и трещин и обеспечения протекания текучих сред по трещинам после завершения процесса гидравлического разрыва.

В тех случаях, когда малое напряжение в формации, в которой пробурена скважина, не распространяется приблизительно параллельно угольному пласту, используется другой способ воздействия на пласт. В этом случае давление жидкости для воздействия на пласт должно быть достаточно высоким для создания разломов, которые распространялись бы во всех направлениях от скважины и, как результат,

- 4 030263

достигали угольного пласта. Такой результат достигается за счет использования высокоэнергетического газа для образование разломов, что предусматривает применение заряда, горящего с меньшей скоростью по сравнению с зарядом взрывчатого вещества и образующего газ при высоком давлении, превышающем напряжение в формации, что, в конечном счете, приводит к образованию разломов. В ряде случаев было бы предпочтительным применять после способа разрыва пласта с использованием высокоэнергетического газа способ гидравлического разрыва пласта для повторного открытия разломов, созданных при применении первого способа, и осаждения пропанта внутри трещин.

После создания многочисленных разрывов, соединяющих скважину и угольный пласт с помощью одного из двух способов воздействия на пласт, описанных выше, либо с помощью иных способов, давление в стволе скважины понижают таким образом, чтобы обеспечивался обратный поток текучей среды из угольного пласта в скважину для дренирования из него текучей среды.

Вышеописанные устройства и способы могут быть использованы для дренирования текучих сред перед проходкой штреков или для дренирования всего длиннозабойного выемочного участка. Способы также могут быть использованы при дренировании газа для промышленных нужд. С этой целью, несмотря на то, что вышеприведенные примеры осуществления настоящего изобретения были описаны в связи с разработкой угольных пластов, многие или все из идей настоящего изобретения могут быть использованы для дренирования текучих сред, как газообразных, так и жидких, в породах, которые не в состоянии в полной мере поддерживать устойчивость стволов скважин, например, в пластах углеводородоносного песчаника, водоносных горизонтах и во многих других горных породах. Скважины могут быть пробурены в прилегающих горных породах, обеспечивающих устойчивость скважины, и затем может быть проведено бурение в горизонтальном направлении по углеводородоносному пласту для создания в нем разломов. Безусловно, могут быть использованы различные вышеописанные способы для извлечения других полезных ископаемых кроме угля и углеводородных жидкостей, включая воду, минералы и т.д. Таким образом, использование термина "формация" или аналогичных терминов в данном контексте не следует истолковывать как ограничиваемые угольным пластом, а охватывающие многие иные формации, в отношении которых может быть предусмотрено применение вышеописанных устройств и способов.

Следует учесть, что последовательность разработки пластов может быть изменена в зависимости от подземных условий и рентабельности таким образом, чтобы обеспечивалась разработка нижнего или верхнего пластов после начального пласта и чтобы обеспечивалось бурение дренажных скважин для дренирования газа из угольных пластов, расположенных ниже, а также выше выработанного угольного пласта.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ дренирования текучей среды из низкопроницаемого газоносного угольного пласта, где скважина в угольном пласте может быть подвержена обрушению и где угольный пласт прилегает к более прочной породе, которая может обеспечить устойчивость скважины, включающий:

а) бурение скважины в более прочной породе, прилегающей и в основном параллельной угольному пласту, из которого дренируется текучая среда, без бурения скважины в угольном пласте;

б) воздействие на прилегающую более прочную породу путем нагнетания жидкостей высокого давления в одном или нескольких местах внутри скважины для создания разломов, идущих от скважины к угольному пласту, и соединения тем самым скважины с угольным пластом так, что обеспечивается возможность образования прохода для выделения текучих сред из угольного пласта в скважину и дренирования текучих сред из угольного пласта в скважину; и

в) воздействие на прилегающую более прочную породу и угольный пласт с использованием жидкости высокого давления, нагнетаемой в скважину для создания разломов, радиально расходящихся от скважины, и повторение воздействий б) и в) в нескольких местах по длине ствола скважины.
2. Способ по п.1, дополнительно включающий цементирование обсадных труб в стволе скважины, сформированной в прилегающей более прочной породе, и перфорирование обсадных труб в местах, где должны начинаться несколько разломов.
3. Способ по п.1, дополнительно включающий воздействие на прилегающую более прочную породу и угольный пласт путем разрыва с использованием высокоэнергетического газа, образующегося при расширении газа, образующегося при воспламенении заряда, характеризующегося более медленной скоростью горения по сравнению со взрывчатым веществом.
4. Способ по п.1, дополнительно включающий проходку подземных пластовых штреков в угольном пласте, из которого дренированы жидкости через разломы в стволе скважины.
5. Способ по п.1, дополнительно включающий дренирование жидкостей из длиннозабойного выемочного участка угольного пласта, из которого дренирован газ через разломы в стволе скважины.
6. Способ по п.1, дополнительно включающий дегазацию пласта через разломы в стволе скважины до разработки подверженной разломам части угольного пласта.
7. Способ по п.1, дополнительно включающий формирование скважины в прилегающей более прочной породе, расположенной между двумя угольными пластами таким образом, что разломы от одно- 5 030263

го ствола скважины отходят радиально наружу от ствола скважины в оба упомянутых угольных пласта.
8. Способ по п.1, дополнительно включающий формирование скважины с использованием наклонно-направленного бурения с участка на поверхности таким образом, что газ может быть дренирован из угольного пласта с поверхности.
9. Способ по п.8, дополнительно включающий бурение с поверхности вниз и затем в основном горизонтально в прилегающую более прочную породу.
10. Способ по п.1, дополнительно включающий бурение нескольких скважин в прилегающей более прочной породе и формирование разломов от нескольких скважин в угольный пласт.
11. Способ дренирования текучей среды из низкопроницаемых газоносных угольных пластов, где соответствующие скважины в угольных пластах могут быть подвержены обрушению и где угольные пласты прилегают к более прочной породе, которая может обеспечить устойчивость скважины, включающий:

а) бурение скважины в более прочной породе, прилегающей и в основном параллельной вышележащему угольному пласту и нижележащему угольному пласту, из которых дренируется текучая среда без бурения скважин в вышележащем и нижележащем угольных пластах; и

б) воздействие на прилегающую более прочную породу путем нагнетания жидкостей высокого давления в одном или нескольких местах внутри скважины для создания разломов, идущих от скважины наружу для соединения скважины с вышележащим угольным пластом и нижележащим угольным пластом так, что обеспечивается возможность повышения выделения текучих сред через разломы из вышележащего и нижележащего угольных пластов в ствол скважины и дренирования текучих сред из вышележащего и нижележащего угольных пластов в скважину
12. Способ по п.11, дополнительно включающий повторение воздействия (б) в нескольких местах по длине ствола скважины.
13. Способ по п.11, дополнительно включающий дренирование газа из вышележащего и нижележащего угольных пластов через общую скважину до разработки угольных пластов.
14. Способ по п.12, дополнительно включающий воздействие на прилегающую более прочную породу и угольные пласты путем разрыва с использованием высокоэнергетического газа, образующегося при расширении газа, образующегося при воспламенении заряда, характеризующегося более медленной скоростью горения по сравнению со взрывчатым веществом.

- 6 030263