RU2117764C1

RU2117764C1 - Method for degassing of coal seams

Info

Publication number: RU2117764C1
Application number: RU96106644A
Authority: RU
Inventors: Г.Я. Полевщиков; С.К. Тризно
Original assignee: Институт угля СО РАН
Priority date: 1996-04-08
Filing date: 1996-04-08
Publication date: 1998-08-20

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: this relates to coal industry and can be used for obtaining methane with its further industrial utilization, and method is also used for degassing of coal seams being mined. According to method of degassing coal seams, bore-hole is drilled. Then performed is spaced hydraulic fracturing oriented in direction from bottom-hole to head of bore-hole. Now working fluid is removed and gas is withdrawn. Bore-holes are drilled through mass to be degassed. Strata of rock matter incorporating coal seams are tested for tensile strength. Fissures of hydraulic fracturing must coincide in rock matter of floor and roof of each coal seam. Locations of hydraulic fracturing fissures are selected with taking account of tensile strength of rock of stratum located aside. Spacings of hydraulic fracture can be increased in direction away from coal seam. Application of aforesaid method enhances safety in extracting coal from seam. EFFECT: higher efficiency. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к угольной промышленности и может быть использовано при добыче метана как для его промышленного использования, так и для дегазации разрабатываемых угольных пластов с целью обеспечения безопасных условий труда горнорабочих. The invention relates to the coal industry and can be used in the production of methane both for its industrial use and for the degassing of developed coal seams in order to ensure safe working conditions for miners.

Известен способ дегазации углепородного массива, заключающийся в бурении с поверхности направленной скважины до пласта и далее по пласту, поинтервальный гидроразрыв угольного пласта с формированием газогидропроводного коллектора, бурение вертикальной скважины в нижний по падению пласта интервал гидроразрыва и откачку жидкости и газа из всей зоны обрабатываемого массива (А. с. СССР N 1448078 Кл. E 21 F 5/00, 1987 г.). К основным недостаткам известного способа дегазации следует отнести высокую трудоемкость, связанную с необходимостью бурения направленных скважин по каждому угольному пласту, низкую эффективность дегазации в связи с отсутствием отвода газа из вмещающих пород и осложнения при выемке пласта вследствие значительных разрушений его при гидроразрывах и создании коллекторов. There is a known method of degassing a coal-bearing massif, which consists in drilling from the surface of a directed well to the formation and further in the formation, interval hydraulic fracturing of a coal formation with the formation of a gas-hydraulic manifold, drilling a vertical well in the lower fracture interval of hydraulic fracturing and pumping liquid and gas from the entire zone of the processed mass ( A. S. of the USSR N 1448078 C. E 21 F 5/00, 1987). The main disadvantages of the known method of degassing include the high complexity associated with the need to drill directional wells in each coal seam, the low degassing efficiency due to the lack of gas removal from the host rocks and complications during the extraction of the reservoir due to its significant destruction during fracturing and the creation of reservoirs.

Известен также способ дегазации свиты угольных пластов, заключающийся в том, что бурят группу скважин, в которые в режиме гидроразрыва закачивают рабочую жидкость, производят гидроразрыв по углю до сбойки скважин и создания сообщающейся системы, а затем откачивают рабочую жидкость по скважине, забой которой наиболее низко расположен по падению нижнего пласта свиты, а газ - по остальным скважинам (А.с. СССР N 1566046 Кл. E 21 F 7/00, 1989 г). There is also known a method of degassing a coal seam suite, which consists in drilling a group of wells into which hydraulic fluid is pumped, hydraulic fracturing is carried out in coal until the wells fail and creating a communicating system, and then the hydraulic fluid is pumped out through the borehole, the bottom of which is the lowest it is located by the fall of the lower formation, and gas - by other wells (A.S. USSR N 1566046 Cl. E 21 F 7/00, 1989).

К недостаткам известного способа следует отнести невысокую эффективность дегазации вмещающих пород, т.к., как показали исследования, трещины гидроразрыва практически не переходят из менее прочного в более прочные слои и, в лучшем случае, могут развиваться только по контакту их. К основному недоставку известного способа следует отнести также и то, что в процессе гидрорасчленения сильно нарушается угольный пласт, что затрудняет его последующую отработку, возникает опасность прорывов больших объемов воды в выработки и повышенного метановыделения при вскрытии полостей гидроразрыва. The disadvantages of this method include the low degassing efficiency of the host rocks, because, as studies have shown, hydraulic fractures practically do not pass from less durable to more durable layers and, in the best case, can only develop at their contact. The main non-delivery of the known method should also include the fact that during the process of hydraulic separation the coal seam is severely disturbed, which complicates its subsequent mining, there is a risk of breakthroughs of large volumes of water into the production and increased methane release during opening of the fracture cavities.

Предлагаемый способ дегазации предусматривает минимальное нарушение угольных пластов, предназначенных для последующей выемки. The proposed method of degassing involves minimal disruption of coal seams intended for subsequent excavation.

Сущность способа заключается в том, что скважинами перебуривают дегазируемый массив, определяют прочность на растяжение слоев пород, вмещающих угольных пласт, а места заложения трещин гидроразрыва выбирают во вмещающих породах из условия
σ_pi-1≤σ_pi ,
где
σ_p - прочность слоев пород на растяжение, МПа;
i - порядковый нормер слоя, по которому производят гидроразрыв, в направлении от пласта угля.The essence of the method lies in the fact that the degassed mass is drilled with wells, the tensile strength of the rock layers containing the coal seam is determined, and the location of the fracturing fractures is selected in the host rocks from the condition
σ _pi -1≤σ _pi ,
Where
σ _p - tensile strength of rock layers, MPa;
i is the ordinal norm of the layer along which hydraulic fracturing is performed, in the direction from the coal seam.

Новым в способе является также и то, что для ориентации градиентов нарастания проницаемости и снижения прочности массива в сторону угольного пласта интервалы гидроразрыва увеличивают в направлении от угольного пласта. New in the method is also the fact that for the orientation of the gradients of increase in permeability and reduce the strength of the array towards the coal seam, the fracturing intervals are increased in the direction from the coal seam.

Таким образом, системы газопроводящих трещин, в основном, формируются во вмещающих породах с минимальным нарушением угольного пласта. Выполнение условия выбора места заложения трещин гидроразрыва обеспечивает развитие их в сторону дегазируемого пласта и параллельно ему, т.е. создается эффективная газодренажная система в кровле и почве пласта угля. Thus, systems of gas-conducting cracks are mainly formed in the host rocks with minimal disturbance of the coal seam. The fulfillment of the conditions for the choice of the location of hydraulic fractures ensures their development towards the degassed formation and parallel to it, i.e. an effective gas drainage system is created in the roof and soil of the coal seam.

На чертеже представлена схема осуществления способа дегазации углепородной толщи с помощью скважин с поверхности. The drawing shows a diagram of a method for the degassing of coal strata using wells from the surface.

Дегазируемый массив представлен двумя пластами угля и вмещающими их породами - алевролитами и различными песчаниками. The degassable massif is represented by two layers of coal and rocks containing them - siltstones and various sandstones.

С поверхности в массив бурят вертикальную скважину 1 на глубину, превышающую глубину залегания самого нижнего пласта 2. Скважину обсаживают трубой 3 до глубины, ниже которой начинаются интервалы гидроразрыва. Поинтервальный ориентированный гидроразрыв осуществляется в направлении от забоя скважины к ее устью. Первая серия трещин гидроразрыва приурочена к пласту 2 и имеет цель - дегазацию пласта и вмещающих его пород. Для выбора мест заложения трещин гидроразрыва определяют прочность на растяжение отобранных образцов пород. На основании лабораторных исследований установлено, что слои пород ниже пласта имеют следующую прочность на растяжение:
слой I мощностью 6 м - σ $\binom{I}{p}$
слой II мощностью 18 м - σ $\binom{II}{p}$ , причем σ $\binom{II}{p}$ < σ $\binom{I}{p}$ .A vertical well 1 is drilled from the surface into the massif to a depth exceeding the depth of the lowest layer 2. The well is cased with pipe 3 to a depth below which fracturing intervals begin. Interval oriented hydraulic fracturing is carried out in the direction from the bottom of the well to its mouth. The first series of hydraulic fractures is confined to formation 2 and has the goal of degassing the formation and the surrounding rocks. To select the location of hydraulic fractures, the tensile strength of the selected rock samples is determined. Based on laboratory studies, it was found that the rock layers below the formation have the following tensile strength:
layer I with a thickness of 6 m - σ $\binom{I}{p}$
layer II with a thickness of 18 m - σ $\binom{II}{p}$ , and σ $\binom{II}{p}$ <σ $\binom{I}{p}$ .

Величина первого интервала гидроразрыва вблизи пласта угля должна находиться в пределах 3 - 5 м. С учетом вышеизложенного место заложения трещины гидроразрыва ниже пласта 2 выбирается в стенке скважины 1 на расстоянии 3 м от почвы пласта по более прочному слою I. В слое II гидроразрыв не производится, т.к. трещины будут ориентироваться в сторону от пласта, что не способствует его дегазации. The value of the first hydraulic fracturing interval near the coal seam should be within 3 - 5 m. In view of the above, the location of the hydraulic fracture below the seam 2 is selected in the wall of the well 1 at a distance of 3 m from the soil of the seam over a more durable layer I. In layer II, hydraulic fracturing is not performed because cracks will be oriented away from the formation, which does not contribute to its degassing.

При выборе интервалов гидроразрыва и места заложения трещин выше пласта 2 учитываются следующие данные:
слой I мощностью 3 м - σ $\binom{I}{p}$
слой II мощностью 10 м - σ $\binom{II}{p}$
слой III мощностью 30 м - σ $\binom{III}{p}$ , причем σ $\binom{I}{p}$ < σ $\binom{II}{p}$ < σ $\binom{III}{p}$ .When choosing the intervals of hydraulic fracturing and the location of the cracks above the formation 2, the following data are taken into account:
layer I with a thickness of 3 m - σ $\binom{I}{p}$
layer II with a thickness of 10 m - σ $\binom{II}{p}$
layer III with a thickness of 30 m - σ $\binom{III}{p}$ , and σ $\binom{I}{p}$ <σ $\binom{II}{p}$ <σ $\binom{III}{p}$ .

Исходя из приведенных выше условий, место заложения первой трещины гидроразрыва выше пласта 2 выбирается в слое II при величине первого интервала гидроразрыва 5 м. Место заложения второй трещины гидроразрыва выше пласта 2 выбирается в слое III при величине интервала 10 м. Аналогично проводится выбор места заложения трещин и интервалов гидроразрыва для пласта 4. Based on the above conditions, the location of the first hydraulic fracture above the formation 2 is selected in layer II with a first fracture interval of 5 m. The location of the second hydraulic fracture above the formation 2 is selected in layer III with an interval of 10 m. The location of the cracks is similarly selected. and fracturing intervals for formation 4.

Для выполнения гидроразрыва участок скважины выше и ниже места гидроразрыва 5 герметизируется с помощью пакеров 6, и на стенке скважины создают концентрации растягивающих напряжений или заранее прорезают зародышевую щель. Рабочую жидкость насосом 7 типа АН-700 или УН1-630-700А по ставу труб 8 подают в межпакерное пространство и поддерживают темп нагнетания на уровне, обеспечивающем давление в жидкости на устье скважины
P_н= 0,025•H+0,15•σ_сж, МПа,
где
H - глубина заложения трещины гидроразрыва, м;
σ_сж - предельное напряжение на одноосное сжатие образца породы, залегающей на интервале гидроразрыва, МПа.To perform hydraulic fracturing, the well section above and below the hydraulic fracturing site 5 is sealed with packers 6, and tensile stress concentrations are created on the wall of the well or the germinal gap is cut through in advance. The working fluid pump type 7 AN-700 or UN1-630-700A at the rate of pipe 8 is fed into the inter-packer space and maintain the injection rate at a level that provides pressure in the fluid at the wellhead
P _n = 0,025 • H + 0,15 • σ _compress , MPa,
Where
H is the depth of the fracture, m;
σ _SJ - limiting voltage uniaxial compressive rock sample overlies the interval fracturing MPa.

При снижении давления жидкости в результате гидроразрыва увеличивают вязкость жидкости и снова поднимают давление до расчетной величины. Циклы нагнетания повторяют до закачки расчетного объема жидкости, определяемого по формуле:
Q_г = 0,5 • R_эф, м³,
где
R_эф - эффективный радиус гидроразрыва, м.When the fluid pressure decreases as a result of hydraulic fracturing, the viscosity of the fluid is increased and the pressure is raised again to the calculated value. The injection cycles are repeated until the calculated volume of fluid is injected, determined by the formula:
Q _g = 0.5 • R _eff , m ³ ,
Where
R _eff - effective fracture radius, m

За счет снижения прочности слоев пород на растяжение по направлению к пласту для угля трещины гидроразрыва, в основном, распространяются в сторону пласта с выходом на контакт его с породами и параллельно пласту. By reducing the tensile strength of the rock layers towards the coal seam, hydraulic fractures generally propagate towards the seam with contact with the rocks and parallel to the seam.

Если выше или ниже угольного пласта породный массив имеет постоянную прочность, то для ориентации системы трещин в сторону пласта интервалы гидроразрыва увеличивают в направлении от пласта. В результате нарушения массива системой трещин с увеличивающейся в сторону пласта плотностью его прочность несколько снижается в направлении к угольному пласту и трещины гидроразрыва будут ориентироваться в сторону меньшей прочности, т.е. в сторону угольного пласта. Кроме того, увеличение плотности сетки газопроводящих трещин в направлении угольного пласта способствует его полнейшей дегазации. Таким образом, со стороны почвы и кровли пласта после завершения гидроразрыва по всем интервалам создается газопроводящий коллектор, сообщающийся с пластом и скважиной. Откачку рабочей жидкости из скважины производят вакуумной насосной установкой 9 по трубопроводу 10. После отделения от жидкости газ направляют потребителю. Способ позволяет увеличить интенсивность дегазации угольных пластов и массива и сократить сроки дегазации с 6 - 8 до 2 - 3 мес. При этом угольный пласт находится вне зоны интенсивного гидроразрыва и не разрушается, что повышает безопасность его отработки после окончания процесса дегазации. If the rock mass has constant strength above or below the coal seam, then for the orientation of the fracture system towards the seam, the fracturing intervals are increased in the direction from the seam. As a result of the disruption of the array by a system of cracks with a density increasing towards the formation side, its strength slightly decreases towards the coal seam and hydraulic fractures will be oriented towards lower strength, i.e. towards the coal seam. In addition, an increase in the density of the network of gas-conducting cracks in the direction of the coal seam contributes to its complete degassing. Thus, from the side of the soil and the roof of the formation after completion of hydraulic fracturing at all intervals, a gas-conducting reservoir is created that communicates with the formation and the well. The pumping of the working fluid from the well is carried out by a vacuum pump unit 9 through the pipeline 10. After separation from the fluid, the gas is sent to the consumer. The method allows to increase the intensity of degassing of coal seams and massif and reduce the time of degassing from 6 to 8 to 2 to 3 months. At the same time, the coal seam is located outside the zone of intense hydraulic fracturing and does not collapse, which increases the safety of its development after the end of the degassing process.

Аналогично вышеприведенному примеру предлагаемый способ может быть осуществлен из подземных горных выработок. Similarly to the above example, the proposed method can be implemented from underground mining.

Claims

1. The method of degassing coal seams, including drilling a well, oriented interval hydraulic fracturing in the direction from the bottom to the wellhead, removing the working fluid and suction of gas, characterized in that the degassed mass is drilled by the wells, and the tensile strength of the rock layers containing the coal seams is determined, and hydraulic fractures are created in the soil and roof of each formation, while the location of hydraulic fractures is selected from the condition

where σ _P is the tensile strength of the rocks, MPa;
i is the serial number of the layer by which hydraulic fracturing is carried out, in the direction from the coal seam.

2. The method according to claim 1, characterized in that the fracturing intervals are increased in the direction from the coal seam.