Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ МЕТАНООТДАЧИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

Изобретение относится к проблеме увеличения углеводородоотдачи топливных пластов и прежде всего метаноотдачи угольных пластов.

Известен способ дегазации (метаноизвлечения) угольного пласта с помощью скважин, пройденных как из выработок, так и с поверхности [1]. Необсаженная часть таких скважин является дреной для опережающей дегазации угольного пласта перед продвижением рабочего забоя лавы. Однако ограниченная поверхность фильтрации таких искусственных коллекторов обуславливает малые притоки к ним угольного метана. Кроме того скважины, подключенные к вакуумно-отсосной системе, эвакуируют метановоздушную смесь с малой концентрацией метана (от 5 до 20%), что затрудняет ее использование в газосжигающих установках. В результате, как правило, такую метановоздушную смесь выбрасывают в атмосферу, нанося непоправимый эффект (парниковый) окружающей среде.

Другим известным техническим решением является бурение наклонно-горизонтальной скважины на шахте им. А.А. Скочинского с целью дегазации угольного пласта [2]. По длине скважины были осуществлены гидроразрывы с угольным пластом для его дегазации. Однако и этот известный способ имеет недостаток, обусловленный ограниченной дренирующей способностью созданных щелей гидроразрыва.

Наиболее близким техническим решением является способ дегазации угольного метана, предусматривающий огневую (термическую) проработку созданных искусственных коллекторов в угольном пласте, а следовательно, существенно увеличивающим их поверхность фильтрации [3].

Недостатком этого технического решения является применение для противоточного перемещения очага горения вдоль бурового канала обогащенного кислородом воздуха. В результате этого, как показала практика, при подземной газификации угольных пластов возможен проскок очага горения навстречу нагнетаемому обогащенному дутью без выгазовывания угля по трассе прорабатываемого бурового канала. Кроме того, в способе отсутствуют рекомендации по величине оптимальных расходов нагнетаемого дутья и диагностике параметров огневой проработки искусственных коллекторов в угольном пласте.

Целью изобретения является повышение метаноотдачи угольного пласта путем контролируемой огневой проработки искусственных коллекторов, отличающихся от известных технических решений повышенной дренирующей способностью.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе дегазации угольного пласта, заключающемся в бурении с поверхности на пласт направленных и вертикальных скважин, соединении их методом гидроразрыва, розжиге угля в одной из скважин, противоточном перемещении очага горения по искусственному коллектору в пласте, и наконец извлечении из термически проработанного коллектора повышенных дебитов воды и метана, противоточное перемещение очага горения по искусственному коллектору осуществляют только на воздушном дутье и его расходе от 500 до 1600 м³/ч. При этом контроль за местоположением очага горения в ходе его перемещения вдоль бурового канала или щели гидроразрыва осуществляют по зависимости
L=Wt,
где L - длина термически проработанной части коллектора, м;
t - продолжительность термической проработки коллектора, ч;
W - скорость противоточного перемещения очага горения, м/ч (определяется по кривой зависимости скорости противоточного перемещения очага горения от расхода воздушного дутья - фиг.2). Кроме того регулируют степень выгазования угля вдоль термически прорабатываемой части коллектора, т.е. величину его поперечного сечения, путем выбора расхода воздушного дутья по восходящей или нисходящей ветвям зависимости скорости противоточного перемещения очага горения от расхода воздушного дутья.

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что огневую проработку коллектора осуществляют на воздушном дутье с расходом от 500 до 1600 м³/ч. При этом контролируют местоположение перемещающегося вдоль коллектора очага горения, а также регулируют величину поперечного сечения термически прорабатываемой части коллектора путем выбора расхода воздушного дутья в пределах упомянутых его оптимальных величин. Все эти отличия соответствуют критерию "новизна" для заявляемого изобретения.

В известном способе [3] не подчеркивается обязательность применения воздушного дутья для противоточного перемещения очага горения при термической проработке коллектора, а также не оптимизируются его расходы. Кроме того отсутствуют признаки по диагностике местоположения очага горения по длине прорабатываемого канала, а также по регулированию величины поперечного сечения последнего. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа изобретательскому уровню с критерием "существенные отличия", так как он оптимизирует расходные и качественные параметры нагнетаемого на термическую проработку дутья, а также позволяет диагностировать процесс перемещения очага горения и регулировать сечение образующегося после этого проработанного канала (коллектора). Все это обеспечивает надежную возможность создания коллектора, отличающегося повышенной дренирующей способностью, а следовательно, высокую метаноотдачу угольного пласта.

На фиг. 1 представлены принципиальные схемы модуля, состоящего из двух скважин после бурения (а) и гидроразрыва угольного пласта (б). Схематично показан процесс перемещения очага горения вдоль коллектора.

На фиг. 2 показана экспериментальная зависимость скорости перемещения очага горения от расхода воздушного дутья - W=f(V).

Предлагаемый способ увеличения метаноотдачи угольного пласта реализуется следующим образом.

На угольный пласт, подлежащий деметанизации, бурят с поверхности либо вертикально-горизонтальную и вертикальную скважины (фиг.1,а), либо две вертикальные скважины (фиг. 1,б). В первом случае искусственный коллектор 3 в угольном пласте представляет собой необсаженный горизонтальный буровой канал, во втором - щель гидроразрыва. После розжига угольного пласта на забое скважин 2 воздушное дутье подается в скважины 1. Начинается перемещение очага горения навстречу нагнетаемому воздушному дутью, оставляя за ним термически проработанный и расширенный канал 4.

Нагнетаемое в скважины 1 дутье обязательно должно быть воздушным, т.к. при его обогащении кислородом (СO₂ >25-30%) очаг горения проскакивает навстречу такому дутью по летучим угля без образования сколько-нибудь заметного канала. При этом на фиг.2 приведена экспериментальная зависимость скорости перемещения очага горения (W) от расхода воздушного дутья (V).

Кривая зависимости W= f(V) носит экстремальный характер и построена по экспериментальным точкам. При расходе воздушного дутья менее 250 м³/ч очаг горения не перемещался навстречу ему - видимо тепла, выделяющегося при горении угля в воспламененной его зоне, не хватает для прогрева впереди лежащего угля до температуры его воспламенения. После увеличения расхода более 400-500 м³/ч начинается заметное противоточное перемещение очага горения (W>0,1-0,2 м/ч). Далее вплоть до расхода воздуха 1000-1200 м³/ч наблюдается активный рост скорости перемещения очага горения до 2,0 м/ч.

После увеличения расхода воздуха свыше 1200-1300 м³/ч начинается достаточно интенсивное снижение скорости перемещения очага горения. Причиной этого является изменение теплового баланса в зоне переднего фронта очага горения в сторону возрастания доли выделяющегося тепла, уносимой с уходящими продуктами сгорания. После достижения расхода воздуха более 1600 м³/ч перемещение очага горения навстречу нагнетаемому дутью практически прекращается - велик унос тепла из воспламененной зоны очага горения.

С учетом изложенного заявляемым изобретением рекомендуется поддерживать расход воздуха в пределах 500-1600 м³/ч.

В процессе нагнетания воздушного дутья контролируется местоположение очага горения (расстояние от скважины - стока 2-1) вдоль коллектора 3 на фиг.1 согласно зависимости L = Wt, где t - время нагнетания воздушного дутья в скважину 1. Например, при продолжительности нагнетания 1000 м³/ч воздушного дутья в течение 24 ч протяженность термически проработанной части коллектора: L = Wt = 2м/ч•24 ч = 48 м. Величина W определяется по восходящей ветви кривой W = f(V) на фиг.2.

Согласно заявляемому способу, кроме того/ представляется возможным воздействовать на сечение термически проработанного канала. Так, в соответствии с экспериментальной кривой W=f(V) на фиг.2 скорость перемещения очага горения, равная, например, 1,6 м/ч, может быть достигнута при 750-800 м³/ч и при 1400-1500 м³/ч. Во втором случае объем выгазования угля в проработанной части канала будет примерно в 2 раза больше, чем при расходе 750-800 м³/ч.

Таким образом, заявляемый способ позволяет получить термически проработанный коллектор гораздо большего сечения по сравнению с первоначальным искусственным коллектором (буровой канал или узкая щель гидроразрыва по угольному пласту). При этом многочисленные трещины, распространяемые по нормали к каналу в результате прогрева угольного пласта, превращают созданный коллектор в дрену повышенного дебита первоначально воды, а затем и метана.

Основные элементы предлагаемой технологии интенсифицированного извлечения угольного метана апробированы в Кузбассе на Южно-Абинской станции "Подземгаз", а также в стендовых условиях.

Заявляемый способ может быть использован также при термической добыче других углеводородных топлив (нефть, битумы, газовый конденсат).

Планируется реализация заявляемого изобретения при добыче угольного метана в Южном Кузбассе со скважинным его дебитом 3000-4000 м³/ч. Это позволит газифицировать регион и за счет замены угля метаном существенно улучшит экологическую ситуацию.

Экономическая эффективность такого комплекса достаточно высока и срок окупаемости капитальных затрат на добычу угольного метана (экспортно оценивается в 400-500 млн.дол.) оценивается в 3-3,5 года.

Источники информации
1. Руководство по дегазации угольных шахт. М., 1990, с.186.

2. Ярунин С. А., Лукаш А.С., Кокарев В.В. Опыт проведения гидродинамического воздействия на углепородный массив через скважину с горизонтальным окончанием ствола. М., Уголь, 1990, 6, с.18-20.

3. Патент 2054557, E 21 F 7/00, 1996.