Патент на изобретение №2272909

(54) СПОСОБ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области горной промышленности, в частности к угольной, и может быть использовано для воздействия на угольный пласт. Техническим эффектом изобретения является интенсификация процесса подземной дегазации угольного пласта, увеличение нагрузки на очистной забой, повышение безопасности по факторам газа, пыли и внезапных выбросов угля и газа. Способ включает проведение скважины, ее обсадку, нагнетание жидкости в скважину через кольцевую полость между обсадной трубой и корпусом генератора в статическом режиме до заполнения прискважинной сети трещин и импульсное воздействие на столб жидкости с помощью генератора, размещенного в устье обсадной трубы. После импульсного воздействия скважину подключают к дегазационному трубопроводу. При этом импульсное воздействие осуществляют струями газов, выбрасываемых из газогенератора и создающих порог уплотнения и волновые фронты в столбе жидкости. А сеть трещин обеспечивают при давлениях в импульсе 100-150 МПа на пластах угля крепостью f=0,5-2 с продолжительностью импульсного воздействия волной сжатия 0,07-0,13 с при заданных радиусах трещинообразования 10 м и 0,13-0,26 с – 20 м. 2 ил.

Изобретение относится к области горной промышленности, в частности к угольной, и может быть использовано для воздействия на угольный пласт с целью интенсификации процесса дегазации и снижения газообильности горных выработок, предотвращения внезапных выбросов угля и газа, снижения пылеобразования в процессе работы горных машин, уменьшения вероятности взрывов газа и пыли, разупрочнения крепкого труднообрушаемого слоя угля при подготовке к отработке мощного угольного пласта с выпуском угля верхнего (подкровельного) слоя на конвейер лавы нижнего слоя, отбойки угля при отработке крутопадающих и крутонаклонных пластов.

Известен способ обработки призабойной зоны пласта скважины (патент РФ №2147337, 7 Е 21 В 33/13, опубл. в бюл. №10 2000 г. [1]), включающий заполнение зоны обработки изолирующим компонентом с последующим внедрением его в призабойную зону пласта посредством воздействия на компонент импульсов давления, инициируемых размещенным в призабойной зоне генератором импульсов. При этом значение импульсов по крайней мере на 5 МПа больше давления гидростатического столба жидкости на глубине обработки, но не более величины давления разрыва пласта. Зазор между внутренней поверхностью скважины и корпусом генератора не превышает 10 мм, а частота генерируемых генератором газовых импульсов должна быть кратной частоте отраженных газовых волн в зоне между корпусом генератора импульсов и стенкой скважины.

В результате анализа данного способа необходимо отметить, что условия добычи нефти с газом и извлечение газа из угольного пласта отличаются друг от друга, в первую очередь, проницаемостью горных пород. В нефтегазодобывающей отрасли проницаемость горных пород на один-два порядка выше, чем проницаемость угольных пластов. В связи с этим, если в нефтегазодобывающей отрасли при обработке призабойной зоны пласта скважины величины давления воздействия не должны превышать величину давления разрыва пласта, то в угольной отрасли необходимо по всей длине скважины иметь сеть трещин, разрывающих угольный пласт по меньшей мере на половину расстояния между скважинами. Частота генерируемых газовых импульсов должна быть кратной частоте отраженных газовых волн в зоне между корпусом генератора импульсов и стенкой скважины. Эту кратность трудно осуществить, тем более в зоне перфорации, где вероятность отраженных эффективных газовых волн невысокая.

Известен способ дегазации угленосной толщи (патент РФ №2152518, 7 Е 21 F 7/00, опубл. в бюл. №19 2000 г. [2]), включающий проведение из горной выработки до почвы угленосной толщи двух перекрестно расположенных серий скважин, их герметизацию, подключение к дегазационному трубопроводу и удаление газа. До начала разгрузки угленосной толщи в скважины первой серии последовательно вводят энерговыделяющую среду с инициатором термораспада и жидкую пробку, нагнетают энерговыделяющую среду в трещины надрабатываемой угленосной толщи, создают в скважинах давление не менее 12 МПа и инициируют энерговыделяющую среду, после чего обработанные скважины первой серии по мере готовности подключают к дегазационному трубопроводу, а скважины второй серии проводят из выработки позади очистного забоя в зону, обработанную скважинами первой серии.

В результате анализа данного способа необходимо отметить, что он весьма трудоемок, так как делает необходимым бурение серий скважин через породы между угольными пластами, обязательное создание в скважинах для инициирования энерговыделяющей среды давления не менее 12 МПа, невозможность отбойки угля при отработке крутопадающих и крутонаклонных пластов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ воздействия на угольный пласт (авт.св. №945473, Е 21 F 5/00, опубл. в бюл. №27, 1982 г. [3]), включающий проведение скважины, ее обсадку, нагнетание жидкости в скважину через кольцевую полость между обсадной трубой и корпусом гегнератора в статическом режиме до заполнения прискважинной сети трещин и импульсное воздействие на столб жидкости с помощью генератора, размещенного в устье обсадной трубы, при этом после импульсного воздействия скважину подключают к дегазационному трубопроводу.

Недостатком технического решения по этому авторскому свидетельству является отсутствие возможности вытеснения столба жидкости в процессе импульсного воздействия с помощью генератора ударных волн, отсутствие газов с температурой до 700°C, способствующих осушению трещин в прискважинной зоне угольного пласта, необходимость постоянной подпитки жидкости в скважину для ликвидации воздушных подушек и отсутствие возможности создания сети трещин. При высокой частоте ударов (до 500 уд/мин) прооисходит разрушение угля, а не создание сети трещин, Кроме того, для осуществления его работы необходимо иметь маслостанцию, которая должна передвигаться вслед за обрабатываемыми скважинами.

Задача изобретения заключается в повышении безопасности подготовительных и очистных работ за счет более интенсивной и полной дегазации угольного пласта и снижения газообильности горных выработок, снижения пылеобразования в процессе работы горных машин, уменьшения вероятности взрывов газа и пыли, разупрочнения пласта.

Согласно изобретению эта задача решается тем, что в способе воздействия на угольный пласт, включающем проведение скважины, ее обсадку, нагнетание жидкости в скважину через кольцевую полость между обсадной трубой и корпусом генератора в статическом режиме до заполнения прискважинной сети трещин и импульсное воздействие на столб жидкости с помощью генератора, размещенного в устье обсадной трубы, при этом после импульсного воздействия скважину подключают к дегазационному трубопроводу, импульсное воздействие осуществляют струями газов, выбрасываемых из газогенератора и создающих порог уплотнения и волновые фронты в столбе жидкости, а сеть трещин обеспечивают при давлениях в импульсе 100-150 МПа на пластах угля крепостью f=0,5-2 с продолжительностью импульсного воздействия волной сжатия 0,07-0,13 с при заданных радиусах трещинообразования 10 м и 0,13-0,26 с – 20 м.

В процессе импульсного воздействия на выходе из газогенератора создают пронизывающие жидкость струи газов и порог уплотнения в столбе жидкости. Продолжительность и мощность импульсного воздействия обеспечивают подбором энергоносителя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показана принципиальная схема осуществления изобретения;

на фиг.2 – схема размещения оборудования для газогидроимпульсного воздействия на массив угля.

Способ осуществляют следующим образом. Проводят скважину 1 и осуществляют ее обсадку трубой. Воздействие на угольный пласт производят через скважину 1. Для этого газогенератор 2 размещают в устье зацементированной обсадной трубы 3 с фланцем. Жидкость под давлением подают в кольцевую полость 4 между обсадной трубой и корпусом газогенератора. Жидкость заполняет скважину и прискважинное пространство угольного массива.

Далее запускают газогенератор. Для этого известным способом инициируют помещенный в его полости газообразующий реагент, преимущественно азотогенерирующий. В процессе химической реакции азотогенерирующего вещества образуется нейтральный газ. Нейтральный газ, выходя через сопла газогенератора (в предлагаемом способе – 99% азота), воздействует на столб жидкости 5. Выброс газа осуществляется периодически, через определенные промежутки времени (т.е. импульсно). В процессе импульсного газообразования, при выходе из сопел газогенератора струи газов импульсно воздействуют на столб 5 жидкости, находящейся под давлением внутри обсадной трубы, и создают порог уплотнения и волновые фронты в столбе жидкости.

Для подачи жидкости в скважину используют насос 6 и рукав 7, который сообщен через каналы во фланце 8 газогенератора с кольцевой полостью 4. Насос 6 питают водой из трубопровода 9.

Обсадную трубу и газогенератор как единую систему раскрепляют в выработке с помощью узла крепления 10. Инициирование заряда газогенератора осуществляют дистанционно, с пульта управления 11.

В качестве азотогенерирующего вещества используют практически единственный компонент – азид натрия, выделяющий при термическом разложении единственный газообразный продукт – азот. В качестве окислителя применяют, как правило, окись железа, которая связывает легколетучий натрий, образующийся при разложении азида, обеспечивает необходимый тепловой эффект для горения смеси, способствует формированию прочного шлакового остатка, не диспергирующегося при горении.

Температуру горения при использовании различных составов изменяют в пределах 700-1190 К, скорость горения при этом составляет от 3 до 11 Мм/с, а содержание азота (% об.) – до 99,9. При необходимости можно получить газ с температурой на выходе из газогенератора не более 300 К. В условиях газоносных пластов температура газов не должна превышать 973 К (700°С).

Многочисленные результаты экспериментальной отработки твердотопливного скважинного газогенератора на нефтяных скважинах показали, что заряды из азотогенерирующих составов надежно воспламеняются и создают давление газов до 150 МПа. Для сохранения герметичности в условиях высокого давления в камере сгорания целесообразно использовать пиропатрон МПДО, ПДО-2 или аналогичный им.

С учетом продолжительности начального отрезка импульса (период роста давления до максимума), равного 0,1-0,15 с, в течение которого прирост давления происходит с максимальной скоростью и процесс роста трещины наиболее устойчив, длина трещины в угольном пласте при скорости звука в массиве 900 м/с может составить 9-13 м.

При импульсном воздействии на угольный пласт волной сжатия при давлении в импульсе, равном 150 МПа, длина трещины в угольном пласте при его прочностных характеристиках по М.М.Протодьяконову, равных f=0,5-2 (_сж=5-20 МПа), может составить от 2,8 м при f=2 до 45 м при f=0,5. При давлении 100 МПа в аналогичных условиях длина трещины может быть от 2,2 до 20 м. Радиус трещинообразования, равный 15 м, может быть обеспечен при давлениях в импульсе 100-150 МПа только на пластах крепостью угля f=0,6-0,85, а радиусы 10 и 5 м – при f=0,7-1,1 и f=0,85-1,5, соответственно.

На пластах каменного угля и антрацитов при скорости звука в массиве, равной 750-1500 м/с, минимальная продолжительность импульсного воздействия волной сжатия должна превышать 0,07-0,13 с при радиусе трещинообразования 10 м и 0,13-0,26 с – при радиусе 20 м.

В процессе проведения патентных исследований технические решения, подобные заявленному, не обнаружены. Считаем, что сведения, изложенные в материалах заявки, достаточны для практического осуществления изобретения.

Интенсификация процесса подземной дегазации не разгруженного от горного давления газоносного угольного пласта, снижение газообильности горных выработок, предварительное увлажнение и разупрочнение пласта способствуют увеличению нагрузки на очистной забой, повышают безопасность отработки пласта по факторам газа, пыли и внезапных выбросов угля и газа, уменьшают вероятность загазирования выработок и взрывов газа и пыли, способствуют извлечению кондиционного метана, пригодного для утилизации, а заряды энергоносителя являются экологически чистыми.

Источники информации

Формула изобретения

Способ воздействия на угольный пласт, включающий проведение скважины, ее обсадку, нагнетание жидкости в скважину через кольцевую полость между обсадной трубой и корпусом генератора в статическом режиме до заполнения прискважинной сети трещин и импульсное воздействие на столб жидкости с помощью генератора, размещенного в устье обсадной трубы, при этом после импульсного воздействия скважину подключают к дегазационному трубопроводу, отличающийся тем, что импульсное воздействие осуществляют струями газов, выбрасываемых из газогенератора и создающих порог уплотнения и волновые фронты в столбе жидкости, а сеть трещин обеспечивают при давлениях в импульсе 100-150 МПа на пластах угля крепостью f=0,5-2 с продолжительностью импульсного воздействия волной сжатия 0,07-0,13 с при заданных радиусах трещинообразования 10 м и 0,13-0,26 с – 20 м.

РИСУНКИ