Результат интеллектуальной деятельности: Способ изоляции горной выработки при термошахтной разработке нефтяных месторождений

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано, например, для изоляции горных выработок, при разработке месторождений высоковязких нефтей и природных битумов термошахтным методом.

Известен способ изоляции аварийного участка подземной выработки за счет бурения скважины между поверхностью и кровлей подземной горной выработки, пройденной с различной высотой, подачей в выработку твердеющего материала до полного заполнения участка, пройденного с различной высотой (Патент RU №2462596).

Однако данный способ является дорогостоящим за счет использования скважины. Кроме того, он не дает гарантии обеспечения изоляции горной выработки, т.к. низка вероятность попадания забоя скважины в намеченную точку. Поэтому, существует вероятность того, что буримая с поверхности скважина не вскроет изолируемую горную выработку.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ изоляции горной выработки (Патент RU №2496005), включающий предварительное определение глубины зоны деформации пород, окружающих изолируемую горную выработку. Затем перед установкой перемычек создают в месте изоляции совокупность шпуров длиной не менее глубины зоны деформации пород. Шпуры располагают в виде веера с образованием не менее трех вееров поперек изолируемой горной выработки. Закачивают в шпуры крайних вееров рабочий агент до потери его приемистости. Затем устанавливают воздухонепроницаемые перемычки в интервале шпуров крайних вееров и закачивают в межперемычное пространство газовую среду, поддерживая давление газовой среды в межперемычном пространстве равным или выше давления в изолируемой горной выработке в течение всего периода изоляции выработки.

Однако данный известный способ требует постоянного присутствия персонала, производящего наблюдение и регулировку давления газовой среды в межперемычном пространстве, а также - поддержание в действии газопровода (воздухопровода) для подачи газовой среды в межперемычное пространство, что усложняет известный способ.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении технологической эффективности работ по изоляции горной выработки при термошахтной разработке нефтяных месторождений, за счет обеспечения создания в межперемычном пространстве горной выработки давления статического столба жидкости в наивысшей точке зоны деформации пород равного или выше перепада давления в изолируемом пространстве и в действующей горной выработке на длительный период, при одновременном упрощении способа на всех этапах реализации.

Поставленный технический результат достигается предлагаемым способом изоляции горной выработки при термошахтной разработке нефтяных месторождений, согласно которому определяют глубину зоны деформации пород, окружающих изолируемую горную выработку, создают в месте изоляции совокупность шпуров, длиной не менее глубины зоны деформации пород, располагая их в виде веера, устанавливают в изолируемой выработке перемычки с образованием межперемычного пространства, при этом новым является то, что перед установкой перемычек создают в кровле выработки, выше зоны деформации пород, напорную емкость, в виде пробуренных в интервале веера наклонных скважин, из того расчета, чтобы она была гидравлически сообщена с межперемычным пространством, далее устанавливают в изолируемой выработке перемычки с образованием межперемычного пространства, определяют перепад абсолютного давления между изолируемым пространством и действующей горной выработке, производят нагнетание изолирующего раствора в межперемычное пространство, шпуры и напорную емкость с обеспечением создания давления статического столба жидкости в наивысшей точке зоны деформации пород равного или выше перепада давления в изолируемом пространстве и в действующей горной выработке, при этом в качестве указанного изолирующего раствора используют жидкий пластичный нетвердеющий раствор, содержащий углеводородный компонент, содержание которого в указанном растворе выбирается в зависимости от нефтенасыщенности горной породы выработки.

В качестве жидкого пластичного нетвердеющего раствора при изоляции горной выработки, расположенной в горных породах, не содержащих нефть, используют раствор следующего компонентного состава, мас. %: глинопорошок - 35-45, поверхностно-активное вещество (ПАВ) -1-1,5, нефть - 15-20, вода-остальное.

В качестве жидкого пластичного нетвердеющего раствора при изоляции горной выработки, расположенной в горных породах, содержащих нефть, используют раствор следующего компонентного состава, мас. %: глинопорошок - 25-30, ПАВ -1-1,5, нефть - 60-65, вода-остальное.

Для приготовления жидкого пластичного нетвердеющего раствора используют нефть разрабатываемого месторождения.

Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом способе изоляции горной выработки в межперемычном пространстве создается давление статического столба жидкости в наивысшей точке зоны деформации пород равное или выше перепада давления в изолируемом пространстве и в действующей горной выработке, образованного наличием в горном массиве выше зоны деформации напорной емкости. При этом, в качестве изолирующего раствора, заполняющего межперемычное пространство, используют жидкий пластичный нетвердеющий раствор.

Существенными отличительными признаками заявленного изобретения являются:

- создание в кровле выработки выше зоны деформации пород напорной емкости, гидравлически соединенной с межперемычным пространством;

- определение перепада абсолютного давления между изолируемым пространством и действующей горной выработке;

- заполнение изолирующим раствором межперемычного пространства, шпуров и одновременно напорной емкости, создавая, тем самым, в верхней точке зоны деформации гидрозатвор с давлением равным или превышающим перепад абсолютного давления между изолируемой и действующей горной выработкой;

- использование в качестве рабочего агента жидкого пластичного нетвердеющего раствора, содержащего углеводородный компонент, количество которого в указанном растворе выбирают в зависимости от нефтенасыщенности породы в горной выработке, подвергаемой изоляции;

- в качестве указанного жидкого пластичного нетвердеющего раствора при изоляции горной выработки, расположенной в горных породах, не содержащих нефть, можно использовать, например, раствор следующего компонентного состава, мас. %: глинопорошок - 35-45, поверхностно-активное вещество (ПАВ) -1-1,5, нефть - 15-20, вода-остальное;

- в качестве жидкого пластичного нетвердеющего раствора при изоляции горной выработки, расположенной в горных породах, содержащих нефть, можно использовать, например, раствор следующего компонентного состава, мас. %: глинопорошок - 25-30, ПАВ -1-1,5, нефть - 60-65, вода-остальное;

- использование в преимущественном варианте при приготовлении жидкого пластичного нетвердеющего раствора нефти разрабатываемого месторождения.

Указанный в преимущественном варианте выбор рецептуры по содержанию углеводородной среды (нефти) в нетвердеющих изолирующих растворах в зависимости от наличия нефти или ее отсутствия в горной выработке обусловлен тем, что в присутствии поверхностно-активного вещества ПАВ жидкости в растворе (нефть и вода) образуют или прямую или обратную эмульсию. Если нефти больше, то образуется обратная эмульсия (вода в нефти), если наоборот - то прямая (нефть в воде). Поэтому в случае отсутствия нефти в горной породе, поверхность последней будет ближе к гидрофильной, потому для заполнения всех трещин предпочтительно нужна прямая эмульсия, а в случае наличия нефти в породу, поверхность становится гидрофобной и для лучшего проникновения во все трещины предпочтительно нужен изолирующий раствор с обратной эмульсией.

При этом, в качестве ПАВ для изолирующего раствора, предназначенного для изоляции горных пород, не содержащих нефть, можно использовать анионные ПАВ, например, следующих марок: сульфонат, сульфонол, НП-1, азолят, ДС-РАС, а для изоляции горных пород, содержащих нефть, можно использовать катионные ПАВ, например, следующих марок: катамин-А, катапин-А, карбозалин-С, арквад, амин С.

Указанная совокупность признаков позволяет создать гарантированный и надежный изоляционный экран на пути движения углеводородных газов и пара из отработанной горной выработки, ранее эксплуатирующейся путем закачки пара в пласт при термошахтной добыче высоковязкой нефти.

Образование в породах, окружающих изолируемую горную выработку, совокупности шпуров в виде веера, длиной не менее глубины зоны деформации пород, и образование в кровле выработки выше зоны деформации пород напорной емкости, состоящей из пробуренных наклонных скважин, гидравлически соединенных с межперемычным пространством, позволяет обеспечить при заполнении указанной емкости нетвердеющим изолирующим составом проникновение этого состава в межперемычное пространство, шпуры и трещины зоны деформации, с созданием при этом постоянного избыточного давления. А создание в межперемычном пространстве указанного давления статического столба жидкости в наивысшей точке зоны деформации пород, равного или выше перепада давления в изолируемом пространстве и в действующей выработке (т.е. фактически избыточного давления) на длительный период, обеспечивает проникновение изолирующего состава через шпуры в мелкие трещины в обе стороны от перемычки, что обеспечит создание зоны гидростатического давления, превышающего давление в изолируемом пространстве выработки.

Поддержание в межперемычном пространстве давления статического столба жидкости в наивысшей точке зоны деформации пород равного или выше перепада давления в изолируемом пространстве и в действующей выработке, в течение всего периода изоляции выработки, т.е. на длительный период, обеспечивает создание условий для перекрытия потоков пара и углеводородных газов от отработанных участков шахты путем создания барьера по всем оставшимся трещинам, в том числе, и по вновь образуемым трещинам во время разработки месторождения.

Вместе с этим предлагаемый способ не требует постоянного присутствия оператора для контроля и обеспечение постоянного мониторинга оборудования, как в прототипе, что приводит к упрощению предлагаемого способа на всех этапах реализации.

Таким образом, предложенная совокупность признаков обеспечивает надежную изоляцию горной выработки заявляемым способом путем герметизации трещин окружающих пород независимо от их расположения и времени происхождения.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема сопряжения действующей и изолируемой горных выработок с указанием размещения шпуров и напорной емкости в месте изоляции и варианта подачи изолирующего раствора в межперемычное пространство; на фиг. 2 изображено сечение места изоляции горной выработки в поперечном разрезе А-А фиг. 1.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Выбирают место изоляции отработанной горной выработки. Согласно правилам техники безопасности изолирующее перекрытие сооружают на расстоянии не менее 2-х метров от сопряжения с действующей горной выработкой. По свойствам пород, окружающим изолируемую отработанную горную выработку 1, определяют глубину зоны деформации пород по формуле

, где

Кт - коэффициент учета трещиноватости скальных пород;

Q - пролет выработки, м (ширина выработки);

f - коэффициент крепости пород по шкале Протодьяконова. (см. «Методические рекомендации по расчету временной крепи тоннельных выработок», ВНИИ транспортного строительства, М, 1984).

На расстоянии 2-х метров от сопряжения с действующей горной выработкой 2 по контору боков и кровли перпендикулярно оси выработки 1 бурят шпуры 3 длиной не менее глубины зоны деформации пород, окружающих изолируемую выработку 1. Шпуры располагают в виде веера. В сильно трещиноватых горных породах возможен вариант бурения дополнительно двух вееров шпуров по обе стороны от первого веера и нагнетание в последние твердеющего изоляционного состава. Расстояние между веерами шпуров, шпурами в веере и количество вееров определяют, исходя из свойств горных пород изолируемой выработки и их деформации. В интервале веера шпуров в кровлю горной выработки 1 бурят одну или несколько наклонных скважин 4 длиной 10-20 метров, располагая ствол (стволы) последних выше зоны деформации горных пород в кровле горной выработки 1. При этом угол наклона указанных скважин 4 может быть, например, в пределах от 5 до 20°.

Далее, со стороны изолируемого пространства в плоскости, примыкающей к плоскости забуривания шпуров 3 и скважин 4 устанавливают бетонную перемычку 5. Перемычка может быть выполнена из бетона, кирпича, деревянного пропитанного бруса и т.п. На минимально возможном расстоянии не более 0,15 м от перемычки 5 устанавливают перемычку 6. Через трубку 10 в перемычке 5 и 6 замеряют абсолютное давление в изолированной горной выработке 1. Замеряют так же абсолютное давление в горной выработке 2 и определяют перепад между этими давлениями.

Перемычки 5 и 6 должны быть укреплены от воздействия нагрузок вызванных давлением столба жидкости в межперемычном пространстве 7. В перемычку 6 при ее возведении монтируют трубу 8 для закачки в межперемычное пространство 7 изолирующего раствора. Верхний конец трубы 8 располагают в верхней точке межперемычного пространства 7.

Насосом 9 ведут закачку изолирующего раствора в межперемычное пространство 7. При нагнетании раствора насосом 9 через трубу 8 в межперемычное пространство 7 фиксируют давление нагнетания, которое будет постоянным при заполнения межперемычного пространства до его верхней точки. Во время заполнения скважин 4 и шпуров 3, расположенных выше верхней точки межперемычного пространства 7 давление нагнетания будет расти пропорционально увеличению статического столба жидкости в скважинах 4 и шпурах 3. По величине давления на выходе насоса 9 и удельному весу раствора определяют высоту столба жидкости. При достижении высоты столба жидкости Н создающего давление статического столба жидкости в наивысшей точке зоны деформации пород равное или выше перепада абсолютного давления между выработками 1 и 2 (см. фиг 1), нагнетание прекращают и отключают насос 9 от трубы 8. Из-за наличия изолирующего раствора в скважинах 4 и созданного им гидростатического столба жидкости в межперемычном пространстве 7, шпурах 3 и связанных с ними трещинах зоны деформации, создается давление статического столба жидкости в наивысшей точке зоны деформации пород, равное или выше перепада абсолютного давления в изолируемом пространстве и в действующей выработке. Такое давление способствует проникновению изолирующего раствора через шпуры 3 в трещины зоны деформации, создавая барьер на пути движения пара из закрытой выработанной горной выработки 1 в открытую выработку 2.

Рассмотрим пример конкретного осуществления.

Заявленный способ может быть реализован, например, на Ярегском месторождении высоковязкой нефти. Продуктивный пласт залегает на глубине 200 м и содержит нефть вязкостью до 15000 Па*с. Коллектор сложен в основном средне- и мелкозернистым кварцевым слабо сцементированным песчаником, имеющим слоистую структуру. Надпластовые аргиллиты (породы покрышки) представляют собой горизонтально-слоистые глинистые отложения зеленовато-серой и зеленовато-бурой (пятнистой) окраски, часто с прослоями и линзами песчаного материала. Вышезалегающая туфобазальтовая (туфодиабазовая) толща или «туфоидные слои») сложена различными туффитами с подчиненными прослоями туфобрекчий, туфопесчаников и туфоидных глин.

Месторождение разрабатывают термошахтным способом. Технология предусматривает отработку залежи участками площадью 100-200 тыс. м². Для нагнетания пара в пласт используют горные выработки, пройденные в надпластовом горизонте. Из данных выработок бурят скважины для нагнетания пара в нефтяной пласт. Добычу нефти ведут из горных выработок, пройденных непосредственно в нефтяном пласте. Из данных выработок так же бурят скважины, выполняющие роль дренажной системы. После отработки участка до запланированного коэффициента нефтеотдачи закачку пара и добычу нефти прекращают, горные выработки этого участка изолируют от общешахтной вентиляционной сети.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Выбирают место изоляции отработанной горной выработки не более двух метров от сопряжения с действующей выработкой по правилам техники безопасности. Сечение горной выработки 8,5 м². Горная выработка пройдена в надпластовом горизонте, сложенным туффитами не содержащими нефть. Далее по свойствам пород, окружающих предназначенную для закрытия горную выработку 1, и параметрам этой выработки определяют глубину разрушения массива по контуру выработки - глубину зоны деформации пород по формуле:

Кт - коэффициент учета трещиноватости скальных пород;

Q - пролет выработки, м (ширина выработки);

f - коэффициент крепости пород по шкале Протодьяконова. (Параметры Кт и f выбирают исходя из свойств пород по табличным данным, см., например «Методические рекомендации по расчету временной крепи тоннельных выработок», ВНИИ транспортного строительства, М, 1984).

Для пород Ярегского месторождения коэффициент учета трещиноватости принимаем равным 3,0. Средняя ширина выработки в проходке 3,0 м; Коэффициент крепости пород по шкале Протодьяконова -4,0.

Далее в месте изоляции отработанной горной выработки 1 по контуру боков и кровли перпендикулярно оси выработки бурят шпуры 3 глубиной не менее 1,68 м и диаметром примерно 43 мм, располагая их веером. В данном примере рассмотрен случай бурения одного веера шпуров 3. Расстояние между концами шпуров 3 в каждом веере принимаем равным 1 м.

В более трещиноватых породах в обе стороны от вышеупомянутого веера шпуров 3 могут буриться дополнительные веера шпуров (с вышеуказанными параметрами) с закачкой в них вспенивающегося и твердеющего агента, например, полиуретановой смолы «Беведол-Беведан».

В плоскости веера шпуров 3 буровым станком РБСП-2 долотом диаметром 98,4 мм бурят три скважины 4 длиной 20 метров каждая с углом наклона 20°.

Далее, со стороны изолируемого пространства в плоскости, примыкающей к плоскости забуривания шпуров 3 и скважин 4 устанавливают бетонную перемычку 5. На минимально возможном расстоянии (0,1-0,15 м) от перемычки 5 устанавливают перемычку 6. Через трубку 10 в перемычке 5 и 6 замеряют абсолютное давление (Рп) в изолированной горной выработке 1. Замеряют абсолютное давление в действующей выработке 2 и определяют перепад этих давлений. Принимаем перепад давления (Рп) равным 4905 Па (0,05 кг/см²). В перемычку 6 со стороны открытой горной выработки при ее возведении устанавливают трубу 8 для нагнетания изолирующего раствора в межмеремычное пространство 7. Верхний конец трубы 8 располагают в верхней точке межперемычного пространства 7. Вычисляют необходимую высоту столба раствора относительно выхода насоса 9:

Н=h+L+h_B где,

h - высота столба раствора, создающая давление не менее перепада абсолютного давления (Рп) между изолированным пространством выработки 1 и действующей выработки 2:

h=Pn/U где,

Рп - перепад давления между выработками 1 и 2, Па;

U - удельный вес раствора, Н/м³;

h=4905/13538=0,36 м;

H - необходимая высота столба раствора относительно выхода насоса, м;

L - глубина зоны деформации, м;

h_в - высота кровли выработки 1от выхода насоса 9.

Н=0,36+1,68+3,42=5,46 м.

Устанавливают насос 9 с пневматическим приводом и рабочим давлением до 19,0 МПа, например, CT-GX5 (DP 35). Приготавливают в специальной емкости, например, в шахтной вагонетке (на чертеже не показана), изолирующий раствор объемом 3,0 м³, состоящий из 1,85 т (45% масс.) глинопорошка (бентонита); 0,042 т (1%) ПАВ (например, ДС-РАС); 0,62 т (15%) ярегской нефти; 1,61 т (39%) - воды. Плотность раствора при данном составе компонентов составит 1380 кг/м³. Из емкости насосом 9 с помощью шланга 10 через трубу 8 подают указанный раствор в межперемычное пространство 7, который заполняет межперемычное пространство 7, входит в шпуры 3 и заполняет скважины 4.

Нагнетание раствора ведут до давления на выходе насоса равного или больше значения:

P_н=U*H где,

Р_н - давление на выходе насоса, Па;

U - удельный вес раствора, Н/м³.

Р_н=13538 * 5,46=73912 Па=0,75 кг/см².

За счет того, что изолирующий раствор находится в скважинах 4 (напорной емкости), расположенных выше зоны деформации горных пород, в межперемычном пространстве 7, шпурах 3 и прилегающим к ним трещинам зоны деформации, создается давление статического столба жидкости в наивысшей точке зоны деформации пород равное или выше перепада абсолютного давления в изолируемом пространстве и в действующей выработке (постоянное избыточное давление), превышающее давление в закрытой горной выработке 1. При этом не требуется контроль за его состоянием, что обеспечивает упрощение способа по сравнению с прототипом.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает надежную изоляцию горной выработки, путем герметизации максимального количества трещин окружающих пород, независимо от их расположения и времени происхождения.

В способе определяют глубину зоны деформации пород, окружающих изолируемую горную выработку, создают в месте изоляции совокупность шпуров, длиной не менее глубины зоны деформации пород, располагая их в виде веера, создают в кровле выработки, выше зоны деформации пород, напорную емкость, в виде пробуренных в интервале веера наклонных скважин, из того расчета, чтобы она была гидравлически сообщена с межперемычным пространством, устанавливают в изолируемой выработке перемычки с образованием межперемычного пространства, определяют перепад абсолютного давления между изолируемым пространством и действующей горной выработке, производят нагнетание изолирующего раствора в межперемычное пространство, шпуры и напорную емкость с обеспечением создания давления статического столба жидкости в наивысшей точке зоны деформации пород равного или выше перепада давления в изолируемом пространстве и в действующей горной выработке, при этом в качестве указанного изолирующего раствора используют жидкий пластичный нетвердеющий раствор, содержащий углеводородный компонент, содержание которого в указанном растворе выбирается в зависимости от нефтенасыщенности горной породы выработки.