УДК 622.817.47

К вопросу воздействия воды на породы кровли и

угольный пласт через скважины

Помашев О.П., Сарыбаев М.А. Мейрбекова Т.С. Хабдай Н.

В работе [1] отмеченные показатели, полученные в результате применения способа гидроразрыва нефтяного пласта (ГРП), сомнительны. Утверждение, что «полученные результаты оценки свидетельствуют о позитивном влиянии проведенных ГРП на состояние разработки месторождения Жетыбай», - недостаточно и никак не отражает разрыв нефтеносного пласта, находящегося во всестороннем объемно-сжатом состоянии.

В работе [2] о гидроразрыве высказываются неосуществимые предположения такого содержания: «движущаяся по трещинам жидкость под действием давления, сжимая блоки, увеличивает зияние и гидропроводность естественных трещин». Также в работе отмечается, что на стенки скважины или шпура в породе прорезается инициирующая щель необходимой формы и размеров. Идея прорезания щели, по-видимому, родилась у авторов после лабораторных экспериментов по измерению величины раскрытия трещины на стенде. В реальных условиях щель должна остаться без изменения, или же попав в «дезинтеграционную зону» должна с куском породы отвалиться в сторону оси скважины и разрушиться под давлением, создаваемым в скважине.

Извлечение метана, содержащегося в угольных пластах (угольного метана), безусловно повышает экономическую эффективность добычи угля. Например, в работе [3] отмечается, что «сегодня в США угольный метан стал важным источником энергии, на который приходится почти 10% (в 2006 году – 663954 млн. м³) общей добычи природного газа». Здесь говорится о метане, который извлекался через скважины из угольных пластов за несколько лет до начала их разработки.

В приведенной работе [3] отмечают, что на стоимость работ по заблаговременной дегазации влияет плотность размещения, глубина и тип скважин; на бурение и заканчивание дегазационных скважин приходится до 60-70% всех капитальных затрат. В статье рассматриваются интересные вопросы по дегазации участков бурением скважин с поверхности земли, из подготовительных выработок в различные по обрушаемости кровлю, а также дорогостоящих горизонтальных скважин. В работе приведен гипотетический пример дегазации шахтного поля площадью 67,5 га (три участка по 900x250 м). Предположительно этот участок разбит на три участка, и угольный пласт этих участков разрабатывается последовательно в 2009, 2010 и 2011 годы. Соответственно на участках предлагают бурить убывающее число дегазационных скважин, так как до 2011 года меньшее число скважин успеет дегазировать третий участок.

В данной статье нами рассмотрены вопросы, связанные с «гидроразрывом угольного пласта», закачиванием воды в кровлю угольного пласта, в пласт, а также с выделением метана при разработке угольных месторождений.

При закачивании воды в породы кровли пласта нетронутого массива через скважину с забоем, находящимся над угольным пластом происходит следующее: в зависимости от степени гигроскопичности и пористости различные слои пород вбирают в себя различное количество воды, например, аргиллит вокруг скважины размягчается полностью, алевролиты и песчаники вбирают воду в поры, но не разрушаются. Если в породной толще присутствуют маломощные нерабочие угольные пласты и пропластки, то они достаточно и легко пропитываются водой. Все эти перечисленные процессы, происходящие в породных слоях кровли при закачке воды в скважину, приводят к снижению прочностных свойств пород [4]. Практически снижение прочностных свойств пород кровли, естественно, полезно только при правильном расположении скважин и увлажнении пород до их подработки. Например, скважины, с достаточной частотой в линии, а последние часто расположенные и параллельные линии ожидаемого очистного забоя по угольному пласту, могут привести к следующим полезным эффектам: при разработке угольного пласта под такой кровлей, подверженной самообрушению, кровля как слоеный пирог, во-первых, под действием проведенной увлажненности межслоевых пространств и самих слоев пород, последние оседают с более частыми расслоениями, во-вторых, происходит уменьшение вылета консоли пород, образующихся, и в основной, и в непосредственной кровле отрабатываемого пласта. Последнее особенно важно при разработке пластов с труднообрушаемыми кровлями, способствует значительному уменьшению горного давления на грудь забоя и на комплексы, что приводит к избавлению от горных ударов, вызываемых обычно при первичной посадке труднообрушаемой необработанной водой непосредственной кровли пласта.

Следует также отметить, что закачивание воды в угольный пласт в работе [3], возможно, способствует вытеснению метана из пласта, но никак его не «гидроразрывает». Здесь следует отметить, что при закачивании воды в скважину происходит следующее. Вода, проходящая по обсадной трубе или просто вдоль породной стенки скважины, доходит до угольного пласта и, образуя в нем большое количество очень малого сечения радиальных к стенке скважины каналов, просто распределяется по ним со скоростями . В образовавшейся трубке тока ежесекундный расход жидкости через различные сечения скважины можно записать в виде равенства

(1)

где сумма в правой части (1) означает пропускную способность всех каналов малого сечения, радиально направленных от цилиндрической поверхности скважины.

Таким образом, при написании равенств (1) мы строго придерживаемся выполнения закона Даниила Бернулли для протекающей жидкости в виде уравнения:

(2)

где называется статическим напором; - скоростным, или динамическим напором; - гидравлическим напором. (В выражениях: - давление в жидкости; - плотность жидкости, = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения; - скорость течения жидкости; - глубина нахождения любого сечения скважины). При горизонтальных расположениях поровых каналов в угольном пласте закон Бернулли остается в силе, однако члена в уравнении (2) не будет, поэтому можно записать

(3)

Так как все каналы направлены радиально и расположены горизонтально, то, естественно, что равенство (3) применим для всех каналов, и оно строго выполняется, распределяя поступающий в забой скважины ежесекундный расход жидкости по поровым радиальным каналам. Таким образом, приведенные рассуждения и выполнение закона Бернулли для трубки тока жидкости приводят к тому, что породы горные (кровли угольного пласта, угольный пласт, нефтеносного пласта), находящиеся в объемном и всестороннем сжатом состоянии, а также имеющие лабораторные показатели предела прочности на растяжение в пределах (5-10) МПа, никак не могут разорваться от действия жидкости, действующей даже под большим давлением.

Визуальные наблюдения показывают, что угольный пласт груди забоя и зоны опорного давления трещиноват и интенсивно выделяет метан. В отмеченной работе рекомендуют дегазационные скважины бурить глубже залегания пласта на 50 м, что, по-видимому, не имеет никакого смысла.

Касаясь понятия «гидроразрыв угольного пласта», следует сказать, что перенос этого понятия с нефтеносного пласта к угольному -, никак не может усилить, закрепить, еще более его «застолбить» и т.д., так как горные породы, находящиеся во всестороннем сжатом состоянии в массиве разрывать жидкостью невозможно. Подтверждение последнего было показано расчетом и на основе выполнения закона Бернулли в трубке тока жидкости [5].

Следует отметить, что при выполнении НИР по Карагандинскому угольному бассейну Институт горного дела им. Д.А.Кунаева НАН Республики Казахстан осуществляет бурение дегазационных скважин с 80-х годов прошлого столетия, проводит измерения дебита газа и изучает влияние этих скважин на степень загазованности очистного забоя. Но эти работы ИГД НАН РК никак не связаны с «гидроразрывами угольного пласта».

Дегазационные же скважины, естественно, полезны, но желательно до проведения очистных работ воду в скважины следует не закачивать; провести небольшие взрывы, разрушающие межслоевые породные структуры, а также пропластки угля, в которых содержится много метана, (так как сухие и более разрыхленные взрывом породы, обычно, выделяют больше метана). Эти мероприятия будут способствовать откачке большого объема газа из скважин. Ослаблять же прочности пород закачкой воды в скважины можно перед проведением очистных работ.

Основной же проблемой следует считать то, что борьба с газовыделением со стороны обрушенной кровли позади очистной лавы по углю, становится все труднее и сложнее с уходом горных работ на более глубокие горизонты.

Использованная литература

1. Ускенбаева А.М. Эффективность применения гидроразрыва пластов на месторождениях Западного Казахстана. // Материалы международной научно-техн. конференции «Инновационные пути развития нефтегазовой отрасли РК», Алматы, 12-13 декабря 2007, том 1, 191-194 с.

2. Клишин В.И., Леконцев Ю.М., Сажин П.В. Управление состоянием массива горных пород методом направленного гидроразрыва. «Рудник будущего», № 3, 2010, 54-61 с.

3. Пол Сикора, Денис Смыслов, Ольга Плетнер. Особенности заблаговременной дегазации угольных пластов методом бурения скважин с поверхности. «Глюкауф», 2008, № 1, 39-45 с.

4. Бакитов К.Б., Помашев О.П., Джанбуршина К.Ш. К вопросу определения прочности образцов горных пород с учетом естественной влажности. Труды ИГД АН КазССР, т. 44, «Наука», Алма-Ата, 1970.

5. Помашев О.П. О способе гидроразрыва нефтяного пласта. // Научный журнал МОН РК «Поиск», Алматы, 2010, № 1, 262-266 с.