Комплекс технических и методических средств для герметизации дегазационных скважин методом ГРП

При разработке газоносных угольных пластов широко применяют скважинные методы предварительной дегазации. Одной из составляющей таких методов является герметизация дегазационных скважин, направленная на снижение подсосов воздуха из горных выработок в вакуумированный (рабочий) интервал скважины.

Распространенные способы герметизации дегазационных скважин включают: перекрытие интервала скважины вблизи выработки обсадной трубой, цементирование затрубного пространства и установку на устье пакера. В этих способах не устранена возможность фильтрации воздуха в скважину через горные породы, которые играют значительную роль в трещиноватых зонах вблизи горных выработок и в прискважинном пространстве. Фильтрация воздуха в рабочую часть дегазационных скважин из горной выработки снижает эффективность дегазации и затрудняет промышленное использование откачиваемого углеводородного газа.

Для снижения подсосов воздуха применяют затратное цементирование стенок горных выработок, эффективность которого зачастую не соответствует предъявленным требованиям.

Для решения этой проблемы нами разработан способ [1] состоящий следующем. В горной породе создается противофильтрационный экран [2], ориентированный поперечно к оси скважины, и заполненный вязкой жидкостью, что препятствует фильтрации воздуха из выработанного пространства в дегазационную скважину. Жидкость, наполняемая экран, является важной составляющей метода (рис. 1).

Рис. 1. Схема размещения барьерного экрана, препятствующего фильтрации воздуха из горной выработки в интервал вакуумирования дегазационной скважины

В Институте горного дела СО РАН для исследования возможностей барьерного экранирования было проведено физическое моделирование с целью исследования влияния различных наполнителей экрана на его газопроницаемость, выбора его оптимальных параметров, а также определения режимов работы пневмогидравлической системы [3, 4].

Эксперименты проводились в несколько этапов с различными рабочими жидкостями на специально разработанном стенде, состоящем из испытательной камеры и пневмогидравлической системы со встроенными средствами измерения. Поведение образцов исследовалось в условиях равномерного напряженного состояния, максимальное значение одноосного сжатия было ограничено величиной 4МПа.

На первом этапе изучалось восстановление давления при различных сочетаниях давления внутри экрана и удельного осевого сжатия модели.

На втором этапе проводились эксперименты по влиянию барьерного экранирования на газопроницаемость среды.

На третьем этапе исследований были проведены эксперименты с использованием кернов породы диаметром 30 мм, высотой 30 мм, пористостью 20%. Для моделирования влияния близлежащей горной выработки на сжатие полости барьерного экрана осевое сжатие модели было выбрано ниже значения бокового сжатия.

По результатам экспериментов выявлено, что:

• •    наилучшие результаты имеют место, когда давление в модели экрана достигает величины осевого сжатия и не отличается от него более чем на 15 бар. Снижение давления ведет к смыканию экрана и организации новых путей фильтрации воздуха из скважины;

• •    применение барьерного экранирования с давлением в экране на 1 МПа меньше давления сжатия экрана вмещающей средой снижает газопроницаемость среды не менее чем в 135 раз, а при давлении в экране равном его сжатию, не менее чем в 560 раз;

• •    применение вязких и полимеризующихся рабочих жидкостей вызывает серьезные проблемы при очистке и техническом обслуживании

оборудования, предъявляет повышенные требования к насосному оборудованию, гидравлической арматуре и соединителям;

е наилучший результат достигается при двухслойной форме барьерного экрана, в которой внешний слой создан с помощью полиакрилатной пропитки, а внутренняя полость заполнена вязким индустриальным маслом, что обеспечивает приемлемую стоимость создания и поддержания в рабочем состоянии барьерного экрана при высокой эффективности снижения газопроницаемости горных пород вокруг дегазационных скважин.

Для реализации указанных преимуществ обоих вариантов, по результатам проведенных лабораторных исследований, разработана трехэтапная схема постановки барьерного экрана, представленная на рис. 2.

На первом этапе используют двухкомпонентный акрилатный гель Carbo Cril Hv низкой вязкости для формирования вокруг будущей полости барьерного экрана внешнего изоляционного слоя, препятствующего фильтрационным утечкам основного наполнителя.

На втором этапе производят гидроразрыв и закачивают в полость экрана под давлением основной заполнитель – гидравлическое масло марки МГЕ-46В, предварительно нагретое до температуры 40–50ºС. По мере продвижения состава в трещину масло остывает, его вязкость возрастает, что препятствует его утечкам во вмещающие породы.

На третьем этапе закачивают небольшой объем полимеризующегося двухкомпонентного состава Carbo Cril Wv, формирующего на устье трещины пробку, запирающего полость экрана и препятствующего выносу из него основного вязкого наполнителя.

Рис. 2.Барьерный экран (вид сверху), созданный по трехэтапной технологии:

1 – внешняя изолирующая корка; 2 – основной объем экрана, заполненный вязким составом под давлением; 3 – запирающая пробка из полимеризующегося состава; 4 – незаполненная часть трещины поперечного гидроразрыва; 5 – скважина; 6 – массив пород.

Разработанная схема и апробированные составы исключают необходимость применения дорогих растворителей для очистки оборудования от после окончания работ, обеспечивают приемлемую стоимость барьерного экрана за счет комбинирования различных составов при высокой эффективности снижения газопроницаемости горных пород вокруг дегазационных скважин.

В предлагаемом решении повышения качества герметизации дегазационных скважин в угольном пласте использован способ гидроразрыва, реализация которого предлагается с помощью разработанного в ИГД СО РАН опытного комплекса, показанного на рисунке 3.

Рис 3. Опытный комплекс в составе насосной установки и системы пакеров для реализации ГРП

Для формирования поперечной трещины разрыва перпендикулярно оси скважины расстояние между пакерами устанавливают 0,2 м. Необходимое давление, при котором происходит разрушение породы, определяется исходя из данных измерений, полученных при нагружении стенок скважины. Расчет объема закачки рабочей жидкости зависит от технических параметров используемого оборудования, а также объема формируемого экрана .

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №14-05-31175).

Выводы.

• •    Результаты физического моделирования показали, что применение барьерного экранирования с давлением в экране на 1МПа меньше давления сжатия экрана вмещающей средой снижает фильтрацию воздуха не менее чем в 135 раз, а при давлении равном его сжатию, не менее чем в 560 раз.

• •    Разработана двухслойная конструкция экрана с внешним слоем из полиакрилатной пропитки (Carbo Cril Hv) и внутренней полостью с вязким индустриальным маслом (масло МГЕ-46В). Такая конструкция дает наилучшие результаты и позволяет без сложностей прокачивать герметики до полости барьерного экрана, исключает применение дорогих растворителей и дополнительных усилий для очистки оборудования от остатков рабочей жидкости после окончания работ.

• •    По результатам исследований разработан макет горного оборудования для барьерного экранирования дегазационных скважин в шахтных условиях.