RU2507378C1

RU2507378C1 - Method of sealing degassing holes

Info

Publication number: RU2507378C1
Application number: RU2012141553/03A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Сердюков; Андрей Владимирович Патутин; Александр Сергеевич Сердюков; Татьяна Викторовна Шилова
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-02-20

Abstract

FIELD: oil-and-gas industry.

SUBSTANCE: proposed method comprises airtight shield by filling the hydrofrac fracture with liquid nonhardening composition at pressure not lower than that of shield compression between host rocks and higher than air pressure in excavation. While blocking layer with threshold pressure gradient to prevent air filtration towards degassing well working part is created in rocks between said shield and excavation.

EFFECT: higher reliability, longer life.

9 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к горному делу и может быть использовано в дегазации газоносных горных пород при подземной добыче полезных ископаемых, преимущественно угля. Одним из основных элементов дегазации газоносных горных пород является герметизация рабочей части дегазационных скважин от горной выработки, на поверхности которых расположены устья дегазационных скважин. Наличие подсосов воздуха в рабочую часть дегазационных скважин из горной выработки снижает эффективность дегазации и затрудняет промышленное использование откачиваемого углеводородного газа из-за высокого содержания воздуха в продукции дегазационных скважин. Для снижения подсосов воздуха в дегазационные скважины используют различные способы герметизации.The present invention relates to mining and can be used in the degassing of gas-bearing rocks in underground mining, mainly coal. One of the main elements of degassing of gas-bearing rocks is the sealing of the working part of degassing wells from mining, on the surface of which the mouths of degassing wells are located. The presence of air leaks into the working part of degassing wells from a mine reduces the degassing efficiency and complicates the industrial use of pumped hydrocarbon gas due to the high air content in the production of degassing wells. To reduce air leaks into degassing wells, various sealing methods are used.

Известен способ герметизации дегазационных скважин по авторскому свидетельству СССР №739246 (МПК Е21F 7/00, опубл. 1980), заключающийся в том, что в скважине на границе обсадки устанавливают герметизатор, а кольцевое пространство между стенкой скважины и обсадной трубой заполняют цементным раствором с полимерными добавками и наносят на слой цемента газонепроницаемый слой из эластичного материала, например используют латекс бутил-каучук. Данный способ обеспечивает надежную герметизацию стенок скважины на участке обсадки и кольцевого пространства между обсадной трубой и стенкой скважины.A known method of sealing degassing wells according to USSR author's certificate No. 739246 (IPC E21F 7/00, publ. 1980), which consists in the fact that a sealant is installed in the well at the casing boundary, and the annular space between the well wall and the casing is filled with cement mortar with polymer additives and apply a gas-tight layer of elastic material to the cement layer, for example, butyl rubber latex is used. This method provides reliable sealing of the walls of the well at the casing and annular space between the casing and the wall of the well.

Недостатком известного способа является возможность подсосов воздуха в рабочую часть скважины через трещины в массиве в обход обсаженного участка скважины. В зависимости от трещиноватости пород доля этих подсосов может составлять 36-60%.The disadvantage of this method is the possibility of suction of air into the working part of the well through cracks in the array bypassing the cased section of the well. Depending on the fracturing of the rocks, the fraction of these leaks can be 36-60%.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ герметизации дегазационных скважин по патенту РФ №2108464 (МПК ⁶ Е21F 7/00, опубл. 10.04.1998), включающий обсадку участка скважины и установку герметизатора, отличающийся тем, что перед обсадкой на участке скважины между устьем и местом установки герметизатора производят поинтервальный ориентированный гидроразрыв, а полученные трещины заполняют твердеющим составом, например водными растворами гелеобразующих составов, и создают в окружающем массиве воздухонепроницаемые экраны, после чего производят обсадку скважины и устанавливают герметизатор. Таким образом, в породах на участке между герметизатором и стенкой выработки создают ряд воздухонепроницаемых экранов, препятствующих поступлению воздуха из горной выработки в рабочую часть скважины по трещинам в горном массиве. Использование способа в объеме приведенных признаков позволяет снизить подсосы воздуха и повысить содержание метана в отсасываемой из горного массива смеси, а также уменьшить длину участка герметизации скважины с 7-10 и 1,5-2 м.Closest to the proposed invention in technical essence and the achieved result is a method of sealing degassing wells according to the patent of the Russian Federation No. 2108464 (IPC ⁶ E21F 7/00, publ. 04/10/1998), including a casing of a well section and installation of a sealant, characterized in that before casing in the well section between the wellhead and the place of installation of the sealant, an interval-oriented oriented hydraulic fracturing is performed, and the resulting cracks are filled with a hardening composition, for example, aqueous solutions of gelling compositions, and create in the environment ayuschem array airtight screens whereupon cased borehole and establish encapsulation. Thus, in the rocks in the area between the sealant and the working wall, a series of airtight screens are created to prevent air from entering the working section of the well through cracks in the rock mass. Using the method in the amount of the above characteristics allows to reduce air leaks and increase the methane content in the mixture sucked from the rock mass, as well as reduce the length of the well sealing section from 7-10 and 1.5-2 m.

Недостатком известного способа по патенту РФ №2108464 является возможность частичного разрушения воздухонепроницаемого экрана после отвердевания заполняющего состава в период эксплуатации дегазационной скважины, например под действием деформационных процессов техногенного и/или природного происхождения, протекающих в массиве горных пород разрабатываемого месторождения, что способствует нарушению герметичности рабочей части дегазационной скважины и увеличению подсосов воздуха в нее. Кроме того, из-за ограниченного времени от начала заполнения экрана до начала отвердевания состава возможно неполное заполнение составом трещины гидроразрыва и связанных с нею фильтрационных каналов, что ведет к частичному перекрытию путей подсоса воздуха во вмещающих горных породах. Кроме того, неравномерное отвердевание состава в объеме воздухонепроницаемого экрана может сопровождаться локальным падением давления состава ниже давления запирания трещины гидроразрыва и схлопыванием полости экрана на отдельных его участках, что ведет к нарушению сплошности и герметичности воздухонепроницаемого экрана.The disadvantage of this method according to the patent of the Russian Federation No. 2108464 is the possibility of partial destruction of the airtight screen after hardening of the filling composition during the operation of a degassing well, for example, under the action of deformation processes of technogenic and / or natural origin, occurring in the rock mass of the developed field, which contributes to the violation of the tightness of the working part degassing well and increase air leaks into it. In addition, due to the limited time from the beginning of the filling of the screen to the beginning of the solidification of the composition, it is possible that the composition of the hydraulic fracture and associated filtration channels is incomplete, which leads to a partial overlap of the air intake paths in the host rocks. In addition, uneven solidification of the composition in the volume of the airtight screen can be accompanied by a local drop in the pressure of the composition below the pressure of the fracture to close and collapse of the screen cavity in its individual sections, which leads to a violation of the continuity and tightness of the airtight screen.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в повышении надежности и долговечности герметизации дегазационных скважин.The technical problem solved in the present invention is to increase the reliability and durability of sealing degassing wells.

Поставленная задача решается тем, что в отличие от прототипа, воздухонепроницаемый экран создают за счет заполнения трещины гидроразрыва нетвердеющим жидким составом под давлением не ниже давления сжатия экрана вмещающими горными породами и выше давления воздуха в горной выработке, а в горных породах между воздухонепроницаемым экраном и горной выработкой создают запирающий слой с градиентом порового давления, препятствующим фильтрации воздуха в направлении рабочей части дегазационной скважины.The problem is solved in that, unlike the prototype, an airtight screen is created by filling a hydraulic fracture with a non-hardening liquid composition under a pressure not lower than the screen compression pressure of the host rocks and higher than the air pressure in the mine, and in the rocks between the airtight screen and the mine create a locking layer with a pore pressure gradient that prevents air filtration in the direction of the working part of the degassing well.

Такая совокупность существенных признаков позволяет повысить надежность и долговечность герметизации дегазационной скважины от горной выработки за счет создания в горных породах между плоскостью воздухонепроницаемого экрана и поверхностью горной выработки запирающего слоя с градиентом порового давления, направляющего фильтрацию флюидов от экрана в сторону горной выработки. При этом исключается фильтрация воздуха из горной выработки в горные породы запирающего слоя по фильтрационным каналам, имевшимся на момент установки герметизатора и/или вновь возникшим под действием деформационных процессов, что обеспечивает повышение надежности и долговечности герметизации рабочей части дегазационной скважины, препятствует подсосу воздуха из горной выработки, обеспечивает получение на выходе дегазационной скважины продукта с высоким содержанием углеводородного газа, тем самым упрощает его дальнейшее использование.Such a combination of essential features makes it possible to increase the reliability and durability of sealing a degassing well from a mine due to the creation of a barrier layer with a pore pressure gradient in the rocks between the plane of the mine and the surface of the mine, which directs the filtration of fluids from the screen towards the mine. This eliminates the filtration of air from the mine to the rocks of the locking layer through the filter channels that existed at the time of installation of the sealant and / or reappeared under the action of deformation processes, which improves the reliability and durability of the sealing of the working part of the degassing well, prevents the suction of air from the mine , provides a product with a high content of hydrocarbon gas at the outlet of a degassing well, thereby simplifying its further use nie.

Давление жидкого состава в воздухонепроницаемом экране может быть ограничено сверху значением давления распространения трещины гидроразрыва, что стабилизует размеры воздухонепроницаемого экрана в период эксплуатации дегазационной скважины.The pressure of the liquid composition in an airtight screen can be limited from above by the value of the propagation pressure of the fracture, which stabilizes the size of the airtight screen during the operation of the degassing well.

Вязкость жидкого состава перед заполнением трещины гидроразрыва может быть уменьшена, например за счет нагрева жидкости выше температуры вмещающих горных пород, что способствует заполнению трещины гидроразрыва, созданию экрана и запирающего слоя.The viscosity of the liquid composition before filling the fracture can be reduced, for example, by heating the fluid above the temperature of the enclosing rocks, which helps to fill the fracture, creating a screen and a locking layer.

После создания воздухонепроницаемого экрана его устье может быть герметизировано твердеющим составом. Герметизация устья экрана препятствует оттоку жидкого состава из экрана в скважину при разбуривании скважины, установке в нее обсадной трубы, установке герметизатора, заполнения твердеющим составом затрубного пространства обсаженного участка дегазационной скважины.After creating an airtight screen, its mouth can be sealed with a hardening compound. Sealing the screen mouth prevents the outflow of the liquid composition from the screen into the well when drilling a well, installing a casing in it, installing a sealant, and filling the annular space of the cased section of a degassing well with a hardening composition.

Трещина гидроразрыва может быть заполнена составом из двух или более жидких компонент низкой вязкости, которые смешивают в полости воздухонепроницаемого экрана и образуют жидкость повышенной вязкости, например вязкопластическую жидкость с пределом текучести выше значения, равного $\frac{225 (1 - ν^{2})}{128 R_{0} E} \cdot K_{I C}^{2}$

, где Е - модуль Юнга, ν - коэффициент Пуассона и К_IC - вязкость разрушения вмещающих горных пород, a R₀ - радиус воздухонепроницаемого экрана. Низкая вязкость исходных компонент способствует заполнению трещины гидроразрыва, а высокая вязкость получаемой жидкости способствует снижению ее утечек во вмещающие горные породы.The fracture can be filled with a composition of two or more liquid components of low viscosity, which are mixed in the cavity of the airtight screen and form a liquid of high viscosity, for example a viscoplastic fluid with a yield strength higher than equal to

\frac{225 (one - ν^{2})}{128 R_{0} E} \cdot K_{I C}^{}

where E is Young's modulus, ν is the Poisson's ratio, and K _IC is the fracture toughness of the host rocks, and R ₀ is the radius of the airtight screen. The low viscosity of the starting components contributes to filling the fracture, and the high viscosity of the resulting fluid helps to reduce its leakage into the surrounding rocks.

Трещина гидроразрыва может быть заполнена последовательно несколькими различными жидкостями, не смешивающимися друг с другом и обладающими различной проникающей способностью во вмещающие горные породы, причем жидкости закачивают в порядке уменьшения их проникающей способности в горные породы. При этом в горных породах вокруг воздухонепроницаемого экрана может быть создано не менее одного слоя горных пород, пропитанных закачиваемыми жидкостями. Создание дополнительных слоев вокруг экрана из пропитанных жидкостями горных пород повышает герметичность дегазационной скважины.The hydraulic fracture can be filled sequentially with several different fluids that are not miscible with each other and have different penetrating properties into the host rocks, and the fluids are pumped in order to reduce their penetration into the rocks. Moreover, in the rocks around the airtight screen can be created at least one layer of rocks soaked with injected fluids. The creation of additional layers around the screen of liquid-soaked rocks increases the integrity of the degassing well.

В период эксплуатации дегазационной скважины давление в экране могут поддерживать за счет подкачки нетвердеющего состава через дополнительную скважину, пробуренную в полость экрана из горной выработки. Подкачка жидкости в полость экрана позволяет компенсировать утечки жидкости в проницаемые вмещающие горные породы в период эксплуатации дегазационной скважины.During the operation of a degassing well, the pressure in the screen can be maintained by pumping a non-hardening composition through an additional well drilled into the cavity of the screen from the mine. Pumping fluid into the screen cavity allows you to compensate for fluid leakage into the permeable enclosing rocks during the operation of the degassing well.

Использование способа в объеме приведенных признаков позволит значительно снизить подсосы воздуха в период эксплуатации дегазационной скважины и повысить содержание углеводородных газов в продукции дегазационных скважин, а также уменьшить длину участка герметизации скважины с 1,5-2 до 0,2-0,5 м.Using the method in the scope of the above characteristics will significantly reduce air leaks during the operation of a degassing well and increase the content of hydrocarbon gases in the production of degassing wells, as well as reduce the length of the well sealing section from 1.5-2 to 0.2-0.5 m.

На чертеже приведена схема дегазации массива газоносных горных пород с герметизацией дегазационной скважины по данному способу. Для дегазации массива газоносных горных пород 1 из горной выработки 2 бурят дегазационную скважину 3, на обсаживаемом участке 4 скважины намечают интервал гидроразрыва и место заложения воздухонепроницаемого экрана. В месте заложения экрана применяют известные способы ориентации развития трещины гидроразрыва поперек оси скважины, например, нарезают в стенках скважины концентратор напряжений. Интервал гидроразрыва герметизируют пакерами и осуществляют гидроразрыв по обычной технологии. Гидроразрыв считается завершенным при падении давления в загерметизированном участке скважины и подаче в трещину гидроразрыва 5 расчетного объема рабочей жидкости гидроразрыва или при падении давления рабочей жидкости гидроразрыва и прорыве ее в горную выработку. После завершения гидроразрыва в трещину 5 закачивают нетвердеющий жидкий состав под давлением не ниже давления сжатия экрана вмещающими горными породами и выше давления воздуха в горной выработке и создают воздухонепроницаемый экран 6. В качестве такого состава можно использовать, например, нагретые до 40-90 градусов гидравлические или индустриальные масла или их смеси, вязкость которых значительно снижается при нагреве. Необходимыми свойствами обладают вязкое гидравлическое масло МГЕ-46 В или индустриальные масла средней вязкости с малым индексом вязкости. После заполнения трещины гидроразрыва 5 нагретый жидкий состав низкой вязкости проникает в мелкие трещины и фильтрационные каналы вокруг полости воздухонепроницаемого экрана и создает слой горных пород 7, пропитанных закачиваемыми жидкостями. После остывания состава до температуры вмещающих горных пород вязкость состава увеличивается и на один-два порядка уменьшается его способность проникать в горную породу. Состав сохраняет свойства жидкости не менее нескольких лет, чего вполне достаточно для проведения долговременной дегазации газонасыщенных горных пород в любых горногеологических условиях.The drawing shows a diagram of the degassing of an array of gas-bearing rocks with sealing degassing wells according to this method. To degass an array of gas-bearing rocks 1 from a mine 2, a degassing well 3 is drilled, a fracturing interval and a place for an airtight screen are planned on the cased section 4 of the well. At the location of the screen, known methods of orienting the development of hydraulic fractures across the axis of the well are used, for example, a stress concentrator is cut into the walls of the well. The fracturing interval is sealed with packers and fracturing is carried out according to conventional technology. Hydraulic fracturing is considered to be completed when the pressure drop in the sealed section of the well is applied and 5 calculated volumes of the hydraulic fracturing fluid are supplied to the hydraulic fracture or when the hydraulic fracturing fluid pressure drops and breaks into the mine. After fracturing is completed, a non-hardening liquid composition is pumped into the crack 5 at a pressure not lower than the screen compression pressure by the host rocks and higher than the air pressure in the mine and create an airtight screen 6. As such a composition, for example, hydraulic or heated to 40-90 degrees can be used industrial oils or mixtures thereof, the viscosity of which decreases significantly when heated. The necessary properties are viscous hydraulic oil MGE-46 V or industrial oils of medium viscosity with a low viscosity index. After filling the hydraulic fracture 5, the heated low viscosity liquid composition penetrates into small cracks and filter channels around the cavity of the airtight screen and creates a rock layer 7 saturated with the injected fluids. After the composition cools down to the temperature of the enclosing rocks, the viscosity of the composition increases and its ability to penetrate into the rock decreases by one or two orders of magnitude. The composition retains the properties of the liquid for at least several years, which is quite sufficient for long-term degassing of gas-saturated rocks in any mining and geological conditions.

После создания воздухонепроницаемого экрана его устье 8 герметизируют твердеющим составом, обсаживаемый участок 4 скважины 3 разбуривают, устанавливают в него обсадную трубу 9 с герметизатором 10 и заполняют затрубное пространство 11 в месте установки воздухонепроницаемого экрана твердеющим составом.After creating an airtight screen, its mouth 8 is sealed with a hardening composition, the casing section 4 of the well 3 is drilled, a casing 9 with a sealant 10 is installed in it, and the annular space 11 is filled at the installation site of the airtight screen with a hardening composition.

Фильтрация жидкости из воздухонепроницаемого экрана в горные породы создает между экраном и горной выработкой запирающий слой 12 с градиентом порового давления, направленным от экрана к горной выработке и препятствующим фильтрации воздуха из горной выработки 2 в рабочую часть дегазационной скважины 3. Утечки жидкости в горные породы компенсируют подачей жидкости в полость экрана через дополнительную скважину 13, пробуренную в полость экрана из горной выработки 2. Выход обсадной трубы 9 на устье дегазационной скважины 2 закрывают фланцем с отводящим каналом для откачки смеси углеводородного газа, воздуха и воды вакуумно-насосной установкой 14, отделяющей от смеси воду с помощью водоотделителя 15, и очищенную смесь с высоким содержанием углеводородного газа направляют потребителю. Комбинация таких операций как проведение ориентированного гидроразрыва горных пород, заполнение трещины гидроразрыва нетвердеющим жидким составом под давлением не ниже давления сжатия экрана вмещающими горными породами и выше давления воздуха в горной выработке и создание воздухонепроницаемого экрана поперек оси скважины радиусом до нескольких десятков метров, а также создание в горных породах между воздухонепроницаемым экраном и горной выработки запирающего слоя с градиентом порового давления, препятствующим фильтрации воздуха в направлении рабочей части дегазационной скважины, обсадка скважины и установка герметизатора обеспечивают снижение подсосов воздуха в скважину и концентрацию углеводородных газов в продукции дегазационных скважин, достаточную для промышленного ее использования.Filtration of the liquid from the airtight screen into the rocks creates between the screen and the mine a locking layer 12 with a pore pressure gradient directed from the screen to the mine and preventing air from being filtered from the mine 2 into the working part of the degassing well 3. The leakage of liquid into the rocks is compensated by fluid into the cavity of the screen through an additional well 13 drilled into the cavity of the screen from the mine 2. The outlet of the casing 9 at the mouth of the degassing well 2 is closed with a flange with a discharge channel for pumping a mixture of hydrocarbon gas, air and water by a vacuum pump unit 14, separating water from the mixture using a water separator 15, and the purified mixture with a high content of hydrocarbon gas is sent to the consumer. A combination of operations such as oriented fracturing of rocks, filling a fracture with a non-hardening liquid composition at a pressure not lower than the screen compression pressure by the host rocks and above the air pressure in the mine, and creating an airtight screen across the axis of the well with a radius of several tens of meters, as well as creating rocks between the airtight screen and the mining of the locking layer with a pore pressure gradient that impedes air filtration in the direction of the working part of the degassing well, the casing of the well and installation of the sealant provide a reduction in air leakage into the well and the concentration of hydrocarbon gases in the production of degassing wells, sufficient for its industrial use.

Claims

1. A method of sealing degassing wells, including oriented oriented fracturing of rocks, creating an airtight screen in the surrounding array, casing of a well section and installing a sealant, characterized in that the airtight screen is created by filling a hydraulic fracture with a liquid non-hardening composition under a pressure not lower than the screen compression pressure containing rocks and above air pressure in a mine, and in rocks between an airtight screen and a rock mended create a barrier layer with a gradient in pore pressure preventing air filter into the working portion degassing wells.

2. The method according to claim 1, characterized in that the pressure of the liquid composition in an airtight screen is limited from above by the value of the propagation pressure of the fracture.

3. The method according to claim 1, characterized in that before filling the hydraulic fracture, the viscosity of the liquid composition is reduced by pre-heating above the temperature of the enclosing rocks.

4. The method according to claim 1, characterized in that after creating an airtight screen, its mouth is sealed with a hardening composition.

5. The method according to claim 1, characterized in that the fracture is filled with a composition of two or more liquid components of low viscosity, which are mixed in the cavity of an airtight screen and form a liquid of high viscosity.

6. The method according to claim 5, characterized in that they form a viscoplastic fluid with a yield strength above a value equal to

, where E is Young's modulus, ν is Poisson's ratio, and K_IC -fracture toughness of enclosing rocks, a R₀ - radius of the airtight screen.

7. The method according to claim 1, characterized in that the hydraulic fracture is filled sequentially with several different liquids that are not miscible with each other and have different penetrating ability in the host rocks, and the fluid is pumped in order to reduce their penetration into the rocks.

8. The method according to claim 7, characterized in that in the rocks around the airtight screen additionally create at least one layer of rocks impregnated with injected fluids.

9. The method according to claim 1, characterized in that during the operation of the degassing well, the pressure in the screen is maintained by pumping a liquid non-hardening composition through an additional well drilled into the cavity of the screen from the mine