Сластунов С.В. (Горный институт НИТУ «МИСиС»),

Мазаник Е.В., Понизов А.В., Сметанин В.С. (АО»СУЭК-Кузбасс»)

Методика проведения шахтных экспериментальных испытаний технологии передовой дегазации пласта-спутника «Подполеновский» с использованием гидроразрыва углепородной толщи

Снижение эффективности дегазации пластов с глубиной работ связано с изменением геомеханического состояния угольного массива. Увеличение горного давления вызывает понижение фильтрационных свойств угольного пласта, снижение его проницаемости и, как следствие, уменьшение газоотдачи скважин при предварительной дегазации.

Исследуемая технология в перспективе ориентирован на шахты, опасные по газу и предназначен для предварительной частичной разгрузки массива от горного давления до подхода очистных работ и эффективной дегазации пород почвы и пластов - спутников, которые оказывают существенное влияние на газовый баланс лавы в условиях интенсивной отработки пласта «Поленовский» шахты им. Кирова АО «СУЭК-Кузбасс». Проведение гидроразрыва обеспечивает некоторую разгрузку массива от горного давления, увеличение интенсивности и суммарного съема газа и позволяет провести более эффективную дегазацию угольных пластов и пород.

В настоящее время актуальность применения и совершенствования технологии гидроразрыва существенно возросла ввиду сложности обеспечения дальнейшего роста нагрузки на очистные забои из-за большого газовыделения непосредственно из разрабатываемых пластов. Особую актуальность этот способ приобретает при отработке выбросоопасных пластов и пластов, склонных к внезапным выбросам.

В настоящих экспериментальных работах делается попытка расширения области применения технологии подземного гидроразрыва, в частности, направление технологии на раскрытие трещин и частичную разгрузку пород почвы в условиях усиленного газовыделения из них в очистной забой, что имеет место при отработке выемочного участка 25-96. Также предусматривается исследовать возможность гидроразрыва непосредственно пласта-спутника «Подполеновсий» для последующей интенсивной его дегазации в рамках передовой дегазации.

На настоящем этапе эти работы во многом носят вынужденный характер, так как необходимость их проведения была продиктована интенсивным газовыделением метана из пород почвы в очистной забой 25-96. Основная сложность работ заключается в ограниченности временных ресурсов на извлечение метана из низкопроницаемого коллектора неразгруженных от горного давления угольных пластов. Дополнительная сложность связана с необходимостью проведения гидроразрыва пласта-спутника «Подполеновский», расположенного в непосредственной близости от рабочего пласта «Поленовский», где имеются опасения нарушения целостности пород почвы при работе лавы.

Целью применения разработанной сотрудниками Горного института НИТУ «МИСиС» и АО «СУЭК-Кузбасс» технологии подземного гидроразрыва является интенсификация метаноотдачи угольного пласта с низкой проницаемостью. Основой повышения проницаемости является создание систем трещин в дегазируемом пласте, ориентированных к скважине и способствующих эффективному извлечению метана.

Главная идея экспериментальной технологии заключается в нагнетании воды под большим давлением (до 20 и более МПа) и создании сети техногенных трещин для улучшения коллекторских свойств угольного пласта.

Главное преимущество предлагаемого способа гидроразрыва угольного пласта перед аналогами является простота и надежность технической реализации. В данном случае не требуется применения дорогостоящего или сложного специального оборудования (пакеров, герметизаторов и др).

Сущность разрабатываемого способа гидроразрыва (ПодзГРП) заключается в том, что скважины гидроразрыва бурят из подземных выработок непосредственно по угольному пласту или точечно в необходимый объект дегазации. Обработку пласта производят через необсаженный участок скважины расчетной длины (принимается в различных горнотехнических условиях в диапазоне от 2 до 100 м). В процессе проведения последующих работ этот параметр может быть оптимизирован. Принципиальная схема технологии и профиль заложения скважин представлено на рисунках 1 и 2 (первый участок настоящих экспериментальных работ - скважины №№1/1-1/5 ГРП).

Для производства гидроразрыва буровым станком осуществляют бурение скважины на заданную глубину диаметром коронки 93 мм. Полная длина скважин на первом экспериментальном участке составляет 50 м. Длина участка герметизации скважины определена в 20 м. После герметизации скважины на заданном участке включают насос высокого давления и подают воду в скважину с темпом до 600 л/мин (10 л/с).

Давление постоянно контролируют приборами на насосе и скважине на безопасном расстоянии. Необходимый объем нагнетания воды в одну скважину 15 ÷ 40 м³. Параметр может корректироваться по результатам наблюдений за водопроявлениями в подготовительной выработке. В случае прорыва воды в выработку гидрообработка незамедлительно прекращается.

В процессе испытаний предполагается производить обработку участков через необсаженный участок скважины. Этот параметр может корректироваться на очередных скважинах по результатам анализа графиков изменения давления нагнетания в пласт в процессе гидрообработки. Основная цель подобной корректировки заключается в определении условий реализации режимов гидроразрыва (гидрорасчленения) и фильтрации.

После проведения работ по гидроразрыву породной толщи подключение экспериментальных скважин №№ 1/1 – 1/5 к вакууму не планируется. Предусматривается бурение и подключение скважин передовой дегазации к вакууму для каптирования метана из зоны влияния гидровоздействия. Скважины передовой дегазации также ориентированы для активной дегазации пород почвы и пластов спутников при разгрузке массива в результате ведения очистных работ. Экспериментальные скважины №№ 1/1 – 1/5 на начальном этапе предлагается оставить под давлением в течении нескольких суток, затем будет произведен постепенный сброс давления с постоянным контролем содержания метана в рудничной атмосфере.

Скважины передовой дегазации закладываются из вентиляционного штрека лавы 25-96 на расстоянии 15 м от пром. штрека 2596-1. Всего предусматривается заложить 5 кустовых скважин длиной 110÷140 м и диаметром 93 мм.

Для выполнения буровых и гидроразрывных работ составляется паспорт, который утверждается главным инженером шахты. Технологические показатели способа гидрообработки угольного пласта, сведены в таблицу.

Таблица – Технологические показатели

№ п/п	Параметры	Ед. изм.	Величина
1.	Длина скважины	м	50
2.	Диаметр буровой коронки	мм	93
3.	Длина обсадки трубами	м	20
4.	Диаметр обсадных труб	мм	70
5	Давление на насосе при гидроразрыве пород	МПа	12÷30
6	Темп нагнетания жидкости	л/с	до 10
7	Радиус гидрообработки пласта	м	30
8	Количество жидкости на гидроразрыв через 1 скв.	м³	5…40
9	Время обработки 1 скважины с учетом переменного темпа нагнетания	мин	30 ÷120

На первых поисковых экспериментальных скважинах на поле шахты им. Кирова была опробована технология герметизации скважин с помощью «Шахтиклея», подаваемого по трубкам в затрубное пространство с помощью пневмонасоса. Также опробованным и надежным вариантом обсадки скважины является вариант с применением металлических труб толщиной стенок 5 мм диаметром 70 мм.

Для вскрытия забоя скважины и удаления затвердевшего "Шахтиклея" с забоя скважины производят повторное бурение скважины через обсадную трубу. Для этого используют буровую коронку меньшего диаметра.

Для проведения описанных работ по гидроразрыву угольного пласта и пород используют материалы и оборудование, разрешенные к использованию в шахтных условиях. При отработке лавы будут подрезаны 28 дегазационных скважин Ø219мм. Природная газоносность пласта 15-17 м3 т.б.з.

Основные этапы работ:

1 Определение начальной газоотдачи пласта (начальных удельных дебитов метана и концентрации) до проведения гидроразрыва на скважинах №№ 1/1 – 1/5 (первый экспериментальный участок).

2 Проведение работ по гидроразрыву пород (сооружение герметизатора, обустройство устья скважины, реализация и регистрация параметров процесса ГРП и др.).

3 Освоение скважин ГРП (открытие скважин, сброс давления).

4 Контроль за дебитами метана и суммарным съемом в течение всего периода эксплуатации скважин ГРП.

5. Осуществление передовой дегазации скважинами, пробуренными из подготовительной выработки пласта «Поленовский» в пласт-спутник «Подполеновскй» (см. рис.1). Скважины передовой дегазации закладываются из вентиляционного штрека лавы 25-96 на расстоянии 15 м от пром. штрека 2596-1. Всего предусматривается заложить 5 кустовых скважин длиной 110-140 м и диаметром 93 мм.

6 Контроль за дебитами метана и суммарным съемом в течение всего периода эксплуатации скважин передовой дегазации.

7 Сравнительная оценка газообильности очистных работ во всех зонах (зонах гидроразрыва и передовой дегазаци, а также зонах сравнения).

8 Определение начальной газоотдачи пласта (начальных удельных дебитов метана и концентрации) до проведения гидроразрыва на скважинах №№ 2/6 – 2/7 (второй экспериментальный участок, смотри рис. 3-6, где планируется провести гидроразрыв не пород (аргиллита), а непосредственно пласта-спутника).

9 Проведение работ на скважинах ГРП №№ 2/6 и 2/7 по гидроразрыву пласта-спутника «Подполеновский» (сооружение герметизатора, обустройство устья скважины, реализация и регистрация параметров процесса ГРП и др.). Расстояние между скважинами ГРП №№2/6 и 2/7 составляет 50 м. Скважины перебуривают пласт-спутник «Подполеновскй» на 5-7 метров. Длина герметизации – 24 м. Темп нагнетания – 10 л/с. Объем рабочей жидкости – 5-40 м³.

10 Освоение скважин ГРП №№ 2/6 и 2/7 (открытие скважин, сброс давления).

11 Контроль за дебитами метана и суммарным съемом в течение всего периода эксплуатации скважин ГРП №№2/6 и 2/7.

12. Осуществление передовой дегазации скважинами, пробуренными из подготовительной выработки пласта «Поленовский» в пласт-спутник «Подполеновскй» (см. рис. 6).

Длина скважин передовой дегазации до 120 м. Количество кустов – 5 (три куста располагаются между скважинами ГРП, два –за ними). Расстояние между кустами – 12 м. Диаметр скважин – 93 мм.

13 Контроль за дебитами метана и суммарным съемом в течение всего периода эксплуатации скважин передовой дегазации.

14 Сравнительная оценка газообильности очистных работ во всех зонах (зонах гидроразрыва и передовой дегазации, а также зонах сравнения).

Аналогичный второму экспериментальному участку состав работ на третьем экспериментальном участке (скважины ГРП №№ 3/8 – 3/9 и 5 кустов передовой дегазации пласта-спутника).

В результате проведения шахтных экспериментальных испытаний будет определяться коэффициент дегазации, достигаемый в результате проведения работ по технологии с использованием гидроразрыва пород почвы и пласта-спутника, а также в целом эффективность данной комплексной технологии дегазации.