Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РАЗРАБОТКИ СЛАНЦЕВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Изобретение относится к области добычи газа, нефти и выщелачиванию микроэлементов из сланцевых месторождений, может быть использовано для разработки сланцевых месторождений максимально приближенных к развитым инфраструктурам мегаполисов.

Традиционные методы добычи нефти вынуждены оставлять в отдельных коллекторах до 40-60% техногенных запасов. Необходимы комплексные экономически окупаемые технологии для отработки данных остатков, в основном это относится к сланцевым месторождениям. Затраты на бурение и оснащение технологического оборудования не могут окупиться без комплексного извлечения всего объема полезных ископаемых и увеличения сроков службы добычных скважин.

Для увеличения газо - и нефтеотдачи используются способы разработки газовых и сланцевых залежей с применением ядерных взрывных технологий, скважины для производства ядерного взрыва (В.И. Мусинов Добыча нефти и газа с помощью ядерных взрывов, ж-л Природа, 1991, №11, с 25-33). Сущность способа заключается в производстве в пласте ядерных взрывов полного внутреннего действия, не приводящих к выбросу горных пород на поверхность. После проведения взрывных работ бурят эксплуатационные скважины, расположенные одна в зоне каверны и две - на некотором расстоянии от нее, и производят отработку месторождения.

Применение подземных ядерных взрывов открывает новые широкие перспективы в интенсификации разработки нефтяных и газовых месторождений, увеличивая многократно их газо- и нефтеотдачу.

Одна из причин, сдерживающих широкое использование ядерных взрывов в нефтедобывающей промышленности, заключается в опасности радиационного заряжения атмосферы, района работ и добываемой продукции (нефти, газа, воды). Все еще не до конца остались изученными некоторые явления и процессы, принципиально важные для промышленного внедрения ядерных взрывных технологий (ЯВТ). К ним были отнесены долговременный (сотни и тысячи лет) прогноз безопасности продуктов взрыва, оставляемых под землей. Поэтому зоны подземных взрывов отчуждаются навечно, их тем более нельзя использовать вблизи мегаполисов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ разработки сланцевых месторождений методом гидравлического разрыва пласта (ГРП). В результате его использования происходит повышение проницаемости призабойной зоны низкопроницаемых, слабодренируемых, неоднородных и расчлененных пластов коллекторов. Гидроразрыв пласта заключается в создании искусственных и расширении имеющихся трещин в породах призабойной зоны повышенным давлением, более 60 Мпа, жидкости. В качестве жидкости могут быть использованы нефть, пресная или минерализованная вода, нефтепродукты (мазут, керосин, дизельное топливо) и др. Для предотвращения смыкания трещин после снижения давления в жидкость вводят либо хорошо скатанный крупнозернистый песок, либо искусственные пластиковые или стеклянные шарики. Наибольшее применение для этих целей получили чистые кварцевые пески с размером зерен 0,5 до 1,0 мм. Вся система полученных трещин, радиус действия которых может достигать нескольких десятков метров, связывает скважину с удаленными от забоя продуктивными частями пласта. Приток флюидов к скважине происходит из ранее изолированных высокопродуктивных зон, и дебиты скважин увеличиваются иногда в несколько раз.

Механизм образования трещин при гидроразрыве следующий: под давлением, создаваемым в скважине насосными агрегатами, жидкость разрыва фильтруется в первую очередь в зоне с наибольшей проницаемостью. Между пропластками по вертикали создается разность давлений, так как в проницаемых пропластках давление больше, чем в малопроницаемых. В результате на кровлю и подошву проницаемого пласта начинают действовать определенные силы, выше и нижележащие породы подвергаются деформации, и на границах пропластков образуются горизонтальные трещины. Необходимо, чтобы внутрипластовое давление было достаточным для обеспечения притока нефти к скважинам. Кроме того, чтобы получить хорошие результаты разрыва пластов, необходима обработка скважин соляной гликокислотой, и плавиковыми кислотами. После установления давления на устье нагнетательных скважин их промывают, очищают от песка и химических примесей, только после этого приступают к их освоению. (Методы механического разрушения пласта или его призабойной зоны, htth:www.qubkin.ru/faculty/maqistr-traininq/maqistranru/posobi 16/03/2013).

Как видно, чрезвычайная высокая ресурсоемкость и низкий уровень извлекаемости высоковязких сланцевых смол ставят рассматриваемый способ добычи в ряд неэффективных и экологически опасных по объемам используемых водных ресурсов.

Пробуренные скважины быстро сокращают свой дебит на 30-40% в год, одновременно оставляя в недрах основные органические составляющие в виде растворенных керогенов, вязких сланцевых смол и минеральных составляющих из массива, подверженных гидроразрыву коллекторов.

Кроме того, вблизи отрабатываемых месторождений могут скапливаться значительные объемы отработанной загрязненной воды, которую сложно утилизировать с соблюдением экологических норм.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение экологической безопасности и экономической эффективности при разработке сланцевых месторождений в районах с развитой инфраструктурой мегаполисов.

Результат достигается тем, что способ разработки сланцевых месторождений заключается в том, что разведанное рудное поле делят на изолированные друг от друга целиками блоки, в центральной части каждого блока по подошве залежи месторождения размещают две горизонтальные скважины в качестве минных камер, в которых устанавливают с обеспечением воздушного зазора зарядный состав из чередующихся заряженных взрывчатым веществом и пустых негерметичных, разделяющих заряд на отдельные части, контейнеров, закрепленных в устье скважины на тросе, контейнеры снабжают по всей длине зарядного состава магистральными детонирующими шнурами, соединенными между собой в устье скважины и с электродетонаторами с замкнутыми проводниками, рабочий торец контейнеров, заполненных взрывчатыми веществами, выполняют с кумулятивной выемкой, второй торец заглушают, для снижения сейсмического воздействия взрыва указанные контейнеры снабжают детонаторами короткозамедленного действия, смонтированными на отрезке детонирующего шнура, находящегося во внутренней полости контейнера, при этом отвод одного из указанных детонаторов подсоединяют к основной магистральной линии детонирующего шнура, отвод второго присоединяют к дублирующей линии, добычные вертикальные скважины размещают по контуру блоков модуля и оборудуют вихревыми насосами «Хобот-Торнадо» и при необходимости фонтанно-эрлитными трубами, обеспечивающими работу насоса при температурах до 600^о, разработку месторождения производят по трехстадийной модульной схеме, последовательно переходя в изолированные целиками соседние блоки: на 1 стадии производят минный разрыв пластов с последующим отбором газа и газоконденсата посредством добычных скважин; на второй стадии - термообработку разорванных пластов путем подачи под давлением не менее 2,0 МПа высокотемпературных продуктов сгорания через вертикальные части горизонтальных скважин в подошвенную часть пласта с последующим извлечением расплавленных твердых и вязких органических составляющих; на 3 стадии через вертикальную часть горизонтальных скважин закачивают в полость пласта щелочной раствор с целью выщелачивания зольных сланцевых пластов для извлечения редкоземельных составляющих.

Углеводороды в сланцевых месторождениях находятся в газообразном, жидком и твердом состояниях в порах коллекторов и составляют 10-30% от массы породы, в сланцах весьма высокого качества могут достигать 50-70%. Горючие сланцевые месторождения характеризуют тонкозернистые осадочные породы, содержащие минеральные вещества. Сланцы содержат значительное количество микроэлементов, которые растения накопили в результате биоаккумуляции, такие как литий, титан (до 5400 г/т), бор (до 10 г/т), рубидий, тантал (0,28 г/т), селен (до 100 г/т), молибден (до 750 г/т), рений (0,8 г/т), серебро (3,2 г/т), золото (0,2 г/т), ванадий (до 680 г/т), торий (до 12 г/т), барий (570 г/т), ртуть, хром (до 380 г/т), вольфрам (300 г/т), мышьяк (2000 г/т), уран (85 г/т), марганец (до 290 г/т), германий (до 6 г/т), цирконий (530 г/т), бериллий (10 г/т), скандий (5,6 г/т), медь (до 20 г/т), никель (до 57 г/т), кобальт (до 27 г/т), галлий (до 4,2 г/т), стронций (до 500 г/т) и другие элементы. Кроме того, сланцевые месторождения содержат большие количества керогена, который в свою очередь и представляет ценность как углеводородное сырье.

Все эти запасы могут находиться в районах с развитой инфраструктурой и производством, на которые не распространяются интересы монопольных организаций, добывающих нефть и газы на больших площадях и регионах, так как процесс добычи сланцевой нефти газа более сложный. К примеру, чтобы добыть битумную нефть, нужно закачивать в пласты огромное количество воды, на 1 баррель добытой нефти 9-10 баррелей воды, при этом не извлекаются отвердевшая и вязкая части нефти.

Способ разработки сланцевых месторождений поясняется на чертежах, где на фиг.1 показан общий вид модуля, на фиг.2 - устройство взрывного зарядного состава в горизонтальной скважине, на фиг.3 - устройство вихревого насоса «Хобот-Торнадо» с фонтанно-эрлифтными трубами.

Разведанное рудное поле разбивают на отдельные модули, составленные как минимум из трех изолированных друг от друга целиками 1 блоков, обеспечивающих трехстадийную отработку сланцевого месторождения:

минный разрыв пластов, отбор газа и газоконденсата;

термообработка разорванных пластов и извлечение расплавленных твердых и вязких органических составляющих;

выщелачивание редкоземельных микроэлементов из зольной части выгоревших пластов.

В сланцевых месторождениях поверх основной залежи сланцев 2 (над залежью) находятся покровные породы 3, затем наносы 4. В центральной части каждого блока по подошве залежи месторождения размещают две горизонтальные скважины 5, служащие в качестве минных камер, в которых устанавливают с обеспечением воздушного зазора взрывной зарядный состав, включающий чередующиеся заряженные 6 и пустые негерметичные контейнеры 7, закрепленные на тросе 8. Вдоль контейнеров 6 по всей длине зарядного состава устанавливают магистральные детонирующие шнуры 9, 10, которые соединяют у устья скважины 5, к ним подсоединяют электродетонаторы 11 с замкнутыми проводниками для предохранения от блуждающих токов. Рабочий конец контейнеров 6, заполненных взрывчатыми веществами, выполняют с кумулятивной выемкой 12, второй конец заглушают заглушкой 13. В заряженных контейнерах 6 каждая часть заряда последовательно взрывается короткозамедленными устройствами через детонирующий шнур в направлении от забоя к устью скважины 5, снижая сейсмическое действие взрыва, для чего указанные контейнеры 6 снабжают двумя детонаторами короткозамедленного действия 14, которые монтируют на отрезке детонирующего шнура, находящегося во внутренней полости контейнеров 6, при этом отвод одного из указанных детонаторов подсоединяют к основной магистральной линии детонирующего шнура 9, отвод второго присоединяют к дублирующей линии 10. По контуру блоков размещают вертикальные скважины 15, оборудованные вихревыми насосами «Хобот-торнадо» 16. Вихревые насосы «Хобот-Торнадо» 16 состоят из конуса-завихрителя 17, выполненного в виде воронки-конуса, в нижней части которого установлен тангенциальный патрубок 18 для подвода сжатого воздуха, а в верхней части устанавливают сборную улитку 19, соединенную с магистральными трубопроводами отвода добываемых продуктов. (Работа вихревых насосов «Хобот-Торнадо» описана в статье Садртдинова И.К., Мусаева A.M. Применение безлопастных тягодутьевых устройств в коммунальных и промышленных объектах для перемещения высокотемпературных и агрессивных газов/ Известия КГАСУ, №1 (13), 2010, с 212-218). Для обеспечения работы насосов в газообразной, жидкой среде, нефти и шламах выщелачивания при температурах до 600^о С и для отбора вязких и расплавленных смол вихревой насос «Хобот-Торнадо» 16 снабжают фонтанно-эрлифтными трубами 20, 21.

Способ разработки сланцевого месторождения осуществляют следующим образом.

На первой стадии разработки месторождения производят минный разрыв сланцевых пластов 2. Взрыв удлиненного за счет чередования заряженных контейнеров и пустых контейнеров, а также наличия детонаторов короткозамедленного действия 14, заряда осуществляют по частям, короткозамедленным способом, с воздушными промежутками, с целью снижения сейсмического действия взрыва и сохранения целиков 1. Воздействие на внутрипластовое давление после разрыва пласта минных зарядов 6 осуществляют через вертикальные части горизонтальных 5 и вертикальные скважины 15. Все добычные скважины 15 проходят перфорацию забоев, устье оборудуют вихревыми насосами "Хобот-Торнадо" 16 с фонтанно-эрлифтными трубами 20, 21.

После разрыва пластов метан и газоконденсатные составляющие не мигрируют в покровные пласты 3, т.к. за счет воздействия разряжения у забоев скважин 15 внутрипластовое давление изменяет вектор движения газообразных продуктов по трещинам пластов 2, направив их к забоям добычных скважин 15. В процессе разрыва пород пласта 2 участвует волна сжатия, образующая ряд радиальных трещин, распространяющихся равномерно во все стороны, от подошвы пласта 2, и отраженная волна растяжения, вызывающая откольные разрушения в кровле пласта 2. Эти явления управляют изменением удельных расходов взрывчатых веществ.

В вихревых насосах "Хобот-Торнадо" 16 для создания восходящего вихря используют нефтяные газы или сжатый газ под давлением не менее 2,0 МПа с тангенциальным подводом в конус-завихритель 17 указанного насоса через тангенциальный патрубок, внутри которого устанавливают насадку Вентури. Вихревой восходящий поток у устья скважины 15 создает разряжение у забоя, оказывая воздействие на внутрипластовое давление по распределению его по вертикальным добычным скважинам 15. Вихревой поток из конуса-завихрителя 17 вихревого насоса «Хобот-Торнадо» 16 вместе с извлекаемыми продуктами поступает в сборную улитку 19 и переходит в магистральные трубопроводы или учетные установки.

В начальный период отбор из пластов газовой фазы осуществляют через фонтанную трубу 20, имеющую елку, которая может преобразоваться в эрлифтную трубу 21 при отборе вязких и расплавленных смол. Вихревой насос "Хобот-торнадо" 16 может работать с газовой, газоконденсатной, жидкими и расплавленными смолами при температурах до 600^оС.

Сборка и монтаж зарядного состава осуществляют путем опускания в скважину 5 заряженных 6 и пустых 7 негерметичных контейнеров, составляющих взрывной заряд. Каждый контейнер на устье скважины 5 обматывают липкой лентой вместе с магистральными детонирующими шнурами 9 и 10 и закрепляющим тросом 8.

После завершения минного разрыва пласта 2 и извлечения газов и газоконденсатов через добычные скважины 15 переходят ко второй стадии разработки месторождения: термообработку разорванных пластов и извлечение расплавленных твердых и вязких органических составляющих - разжиженных нефтей и сланцевых смол. Для этого используют вертикальные части горизонтальных скважин 5, через которые подают высокотемпературные продукты сгорания под большим давлением (не менее 2,0 МПа) в подошвенную часть разорванных, наиболее проницаемых пластов 2. Повышение температуры пластов 2 приводит к разжижению затвердевших и вязких сланцевых смол, которые извлекают добычными скважинами 15 без изменения их оснастки, т.е. с помощью вихревых насосов "Хобот-торнадо" 16 с использованием центральной трубы в качестве эрлифта.

При полном исчерпании разжиженных сланцевых смол, выгорании органических остатков и оформлении зольной части коллекторов приступают к следующей третьей стадии разработки сланцевого месторождения - выщелачиванию зольных частей сланцевых пластов для извлечения редкоземельных микроэлементов. Выщелачивание может быть комплексное или селективное, в зависимости от ценности извлекаемых металлов.

По мере отработки блоков их используют как камеры для возврата в недра использованных растворов и отходов нефтепереработки.

Способ предусматривает комплексную отработку месторождений экономически эффективными и экологически безопасными методами. Способ разработки сланцевых месторождений производят по трехстадийной схеме, последовательно переходя в изолированные целиками соседние блоки, т.е. проводят одновременно разные стадии выработки месторождения в разных блоках, последовательно и независимо друг от друга проводят стадии выработки месторождения.

Предлагаемый способ разработки сланцевых месторождений по трехстадийной модульной схеме отработки сланцевых месторождений, максимально приближенных к развитым инфраструктурам мегаполисов, позволяет на базе неограниченных объемов полезных ископаемых создавать как многопрофильные перерабатывающие предприятия органических составляющих, так и редкоземельных микроэлементов, некоторые из которых представляют особенную ценность. При комплексном извлечении всех полезных составляющих сланцевых месторождений для регионов могут стать не только топливным резервом, но и наукоемкими производствами с сотнями новых рабочих мест.

Экономическая и экологическая эффективность комплексной переработки добываемого сырья значительно превысит традиционную добычу нефти и газа, особенно в тех регионах, где еще не нашли коммерческие нефть и газ.