Интенсификация добычи метана на метаноугольных месторождениях путем проведения горизонтальных скважин и вибросейсмического воздействи

Водоносный комплекс верхнепермских отложений ерунаковской подсерии

В пределах района работ отложения ерунаковской подсерии слагают центральную часть Нарыкской антиклинали, а также южное крыло Кыргай-Осташкинской синклинали. Разрез водоносного комплекса представлен чередованием мощных пластов песчаников с алевролитами, аргиллитами и углями. По водопроводимости в толще пород выделяется две зоны: верхняя, с интенсивно трещиноватыми породами и нижняя – зона затухающей трещиноватости.

По условиям залегания и характеру водовмещающих  пород в верхних частях разреза преобладает трещинный тип фильтрации подземных вод, ниже, в условиях затухания трещиноватости и наличия мощных пластов песчаников, возрастает роль трещинно–пластового, трещинно–жильного типов фильтрации. Трещиноватость пород в разрезе неравномерна. По данным геофизических исследований установлено наличие от 1 до 5-8 водоносных зон.

Глубина залегания  водоносного комплекса колеблется от 1 до 10 м, в исключительных случаях до 13 – 18 м в долинах и от 10 до 25 м, редко до 50 м на водоразделах.

Подземные воды комплекса, как правило, напорные в  долинах рек, подножьях склонов и безнапорные на водоразделах. Величины напоров в зоне интенсивной трещиноватости изменяются от 3 – 7 м до 10 – 24 м и зависят от положения водоносных зон в разрезе. С глубиной напоры увеличиваются, в некоторых случаях фонтанирование скважин начинается с глубин 200 – 400 м .

Уровни подземных  вод в логах и долинах устанавливаются  на глубинах от 4 м до 5 м выше поверхности  рельефа. На водоразделах и склонах  глубины залегания уровня подземных  вод изменяются от первых метров до 48 м.

Водообильность комплекса в общем невелика и неравномерна как по площади, так и в разрезе. Удельные дебиты скважин варьируют в очень широких пределах, от 0,01 л/сек до 1,2 л/сек при преобладающих значениях 0,2-0,6 л/сек.

Питание подземных  вод преимущественно местное  за счет инфильтрации атмосферных осадков, в меньшей степени за счет напорных вод глубоких горизонтов. Разгрузка происходит в местную гидросеть.

Уровенный режим подземных вод характеризуется непостоянством и целиком зависит от режима атмосферных осадков.

По химическому  составу подземные воды являются гидрокарбонатными со смешанным  катионным составом, преимущественно  кальциевым или натриевым. Воды пресные, минерализация изменяется от 360 до 865 мг/л, от мягких до жестких (3,65 – 9,87 мг-экв/л), по показателю pH от слабокислых до щелочных. Микрокомпоненты представлены медью, марганцем, цинком, титаном, ванадием, галлием, бромом.

4. Физико-механические свойства горных пород

                                    Таблица 1.1

Физико-механические свойства горных пород

3. Основные методы и технологии интенсификации газоотдачи угольных пластов

Дебит отдельных  скважин можно в значительной мере увеличить за счет как внедрения  методов интенсификации притока  газа, так и улучшения техники  и технологии вскрытия пласта, усовершенствования оборудования, используемого при эксплуатации скважин.

В настоящее  время, применяются четыре основных метода воздействия на пласты. Они  приведены ниже в порядке частоты  использования

1. Гидравлический разрыв пластов.
2. Метод кавернообразования в необсаженном стволе скважины.
3. Бурение горизонтальных, наклонно-направленных и многозабойных скважин.
4. Инъекция в угольные пласты диоксида углерода и азота.

Дополнительными методами интенсификации газоотдачи являются: электровоздействие, акустическое и вибрационное воздействие, а также термические методы в различных модификациях.

Интенсификация газоотдачи угольных пластов гидроразрывом.

Гидравлический  разрыв – самый распространенный метод воздействия на угольные пласты. Гидроразрыв позволяет обеспечить соединение ствола скважины с естественными трещинами коллектора. Гидравлический разрыв – это процесс нагнетания специальной жидкости с пропантом (или без него) в скважину с большой скоростью, после чего происходит разрушение пласта и образование вертикальной трещины. Пропант необходим  для предотвращения смыкания стенок трещины и для предохранения от забивания трещин угольными частицами. Гидроразрыв в настоящее время используется в мире больше чем на 80% действующих скважина для добычи метана. Из-за возможности использования этой технологии в различных пластовых условиях, рекомендуется ее применение как основной технологии при реализации Проекта добычи метана из угольных пластов  в Кузбассе.

Выбор жидкости гидроразрыва – очень важен для обеспечения эффек-тивной стимуляции газоотдачи пластов. Жидкость гидроразрыва может быть следующих видов: (1) азотная пена для низконапорных коллекторов, (2) жидкости на водной основе для коротких трещин с низкой проводимостью; (3) линейный или поперечно - сшитый гель для широких и длинных трещин [5].

Гидроразрыв с применением пены в качестве жидкости разрыва. Применение пены при операциях гидроразрыва  традиционно использовалась в пластах с пониженным давлением газа или чувствительных к повреждению жидкостями или в пластах, в которых существует сильное сопротивление  проникновению  жидкости. Однако такие операции по гидроразрыву более дорогие по сравнению с операциями по гидроразрыву, в которых применяется поперечно-связанный гель [5].

Гидроразрыв с применением воды в качестве  жидкости разрыва(с пропантом). Поскольку гель может повреждать проницаемость пластов, то при операциях по гидроразрыву пласта может использоваться вода в качестве рабочей жидкости разрыва плюс песок размером 12/20 меш с концентрацией 100-200 кг/м3 воды. В некоторых частях бассейнов Сан Хуан  и  БлэкУорриор достигались более высокие дебиты газа из скважин, где проводился гидро-разрыв с применением воды в качестве рабочей жидкости, чем в соседних скважинах, где проводился гидроразрыв с применением геля в качестве рабочей жидкости. Гидроразрыв с применением воды в качестве жидкости разрыва вполовину дешевле, чем с применением геля [5].

 Гидроразрыв с применением в качестве жидкости разрыва воды без пропанта. В бассейне БлэкУорриор в операциях по гидроразрыву  иногда применялась вода без пропанта. Хотя добыча газа из  этих скважин не такая высокая, как из скважин, где операции по гидроразрыву проводились водой с пропантом, операции по гидроразрыву с применением воды и без использования пропанта значительно дешевле. Когда таким образом производился повторный гидроразрыв в скважинах, где прежде проводился гидроразрыв с применением геля, то из таких скважин, как правило, добыча газа увеличивалась. Рентабельность проведения операций по гидроразрыву без использования пропанта, заключается в том, что (1) они более дешевые, (2) при их применении отсутствует эффект выноса пропанта.

Гидроразрыв с применением геля в качестве жидкости разрыва. Этот метод стимулирования скважин проводится через  перфорированные обсадные трубы в угольных пластах. Высокая проводимость трещины достигается с помощью использования песка размером 12/20 меш с концентрацией 200-500 кг/м³ жидкости. Отрицательным эффектом от применения гелей является повреждение проницаемости угольных пластов. Стандартный гидроразрыв на севере бассейна Сан Хуан и в бассейне БлэкУорриор происходит с применением поперечно-связанного боратного геля, закачиваемого при скорости 4,8-10,0 м³/мин. Обычно используется песок размером 12/20 меш, но в некоторых случаях используется песок размером 20/40 меш. для достижения более высокой проводимости создаваемой трещины [5].

Интенсификация  газоотдачи пластов методом пневмогидродинамического воздействия в необсаженном стволе скважины

Одна из эффективных  технологий, называемая пневмо-гидродинамическое воздействие на угольный пласт с кавернообразованием («open-holecavitycompletion») используется для завершения  скважин добывающих метан из угольных пластов. В результате ствол скважины эффективно связывается с системой природных трещин, благодаря созданию большого количества разнонаправленных, саморасклинивающихся трещин. Однако, "cavity" (каверна) является побочным явлением процесса, а не главной целью "завершения" углеметановой скважины. Более подходящим термином для этого метода является "dinamicopenholecompletion" (динамическое завершение необсаженного ствола).

Метод пневмо-гидродинамического завершения  в необсаженном стволе скважины с кавернообразованием в угольных пластах заключается в периодически повторяющихся циклах введения воздуха или водо-воздушной смеси в интервал необсаженного ствола, за которым следует стремительное сбрасывание давления. Теоретически обосновано, что в угольном пласте могут создаваться трещины растяжения на удалении от скважины, которые не берут начало от ствола скважины, и могут быть ориентированы в любых направлениях. В качестве побочного явления стремительного уменьшения давления происходит увеличение ствола скважины из-за обрушения в него (в ствол скважины) углей с низкой прочностью вследствие наложения гидродинамических эффектов [4].

Разрушение  сдвига является результатом действующей  нагрузки, когда давление в стволе скважины падает (в период сброса давления). В этом случае создаются активные зоны разрушения сдвига, которые ориентированы  перпендикулярно к направлению максимального горизонтального стресса и перпендикулярны ориентации зон разрушения растяжения.

В процессе пневмо-гидродинамического «завершения» скважины должен  вводится воздух или водо-воздушная смесь в ствол скважины в течение от 1 до 6 часов при расходах приблизительно от 60 до 100 м³/мин и при давлении на поверхности вплоть до 15 МПа. Фактические (действительные) расход и давление  являются функцией глубины, проницаемости и наличия стресса в недрах (in-situ). После того как давление инъекции достигает расчетного верхний клапан открывается и поверхностное давление резко  понижается флюиды выбрасываются через выкидную линию в отстойник. Обычно проводятся от 20 до 30 инъекций в течение полного цикла, для которого может требоваться от 10 до 15 дней [5].

Наиболее  успешно эта технология применяется  при завершении скважин бассейна Сан Хуан, (штаты Колорадо и в Новая Мексика). На некоторых площадях (в «продуктивном поясе») скважины, «завершенные» методом «open-holecavity» производят значительно больше газа, чем скважины, завершенные с использованием других технологий, таких как гидроразрыв.

В бассейне Сан  Хуан при проведении экспериментальных  работ по сравнению скважин с пневмо-гидродинамическим воздействием на угольные пласты в открытом стволе со скважинами, «завершенными» по технологии гидроразрыва было отмечено, что дебиты скважин с «кавитацией» в 5-10 раз больше дебита скважин с гидроразрывом при сходных геологических условиях и коллекторских характеристиках пластов. Сопоставления производилось по 10 скважинам, в которых первоначально был проведен гидроразрыв в обсаженном стволе и замерены начальные дебиты скважин, а затем скважины были повторно перебурены и на теже угольные пласты было произведено пневмо-гидродинамическое воздействие с кавернообразованием в необсаженном стволе («кавитация»). После такого повторного завершения наблюдение за дебитами скважин проводилось в течение года.