RU2730688C1

RU2730688C1 - Method of directed hydraulic fracturing of coal bed

Info

Publication number: RU2730688C1
Application number: RU2019140255A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Сердюков; Андрей Владимирович Патутин; Антон Витальевич Азаров; Леонид Алексеевич Рыбалкин; Татьяна Викторовна Шилова
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-08-25

Abstract

FIELD: mining.SUBSTANCE: invention relates to mining and can be used for intensification of degassing of coal beds by hydraulic fracturing. Invention comprises method of directed hydraulic fracturing of coal bed. Proposed method comprises well boring along well seam, well sealing interval sealing, fluid feed under pressure under sealed interval and formation of fracture in formation. At that lateral borehole is drilled in break interval. Lateral shaft is oriented at angle of 15–40 degrees to the well providing the condition of stable development of the crack in the plane formed by the well, the point of sidetracking and the side shaft.EFFECT: technical result is increased extraction of carbon methane from the mass by creating a longitudinal fracture of hydraulic fracturing in the formation.1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу, в частности к технологиям интенсификации дегазации угольных пластов методом гидравлического разрыва пласта (ГРП).The proposed technical solution relates to mining, in particular to technologies for intensifying degassing of coal seams by hydraulic fracturing (hydraulic fracturing).

Гидравлический разрыв пласта является способом воздействия на горный массив, при котором в изолированный интервал скважины нагнетают жидкость под давлением, что приводит к формированию в пласте трещины. Направление ее распространения преимущественно зависит от действующих в массиве напряжений и ориентации природной трещиноватости. В то же время, желаемое направление развития трещины может не совпадать с тем, которое определяется полем напряжений. Неуправляемый характер развития трещин затрудняет формирование систем трещин заданной конфигурации, например, для повышения темпов и степени дегазации при подземной разработке газоносных угольных пластов (см. Инструкцию по дегазации угольных шахт от 01.12.2011, №679).Hydraulic fracturing is a method of influencing a rock mass in which a fluid is injected into an isolated interval of a well, which leads to the formation of a fracture in the formation. The direction of its propagation mainly depends on the stresses acting in the massif and the orientation of natural fracturing. At the same time, the desired direction of crack propagation may not coincide with that determined by the stress field. The uncontrollable nature of the development of cracks makes it difficult to form systems of cracks of a given configuration, for example, to increase the rate and degree of degassing during underground mining of gas-bearing coal seams (see Instructions for degassing coal mines dated 01.12.2011, No. 679).

Установлено, что способность пласта к газоотдаче определяется его проницаемостью, а эффективность дегазации - фильтрационным сопротивлением зоны дренирования дегазационной системы, первичными элементами которой являются необсаженные скважины, пробуренные из горных выработок. Согласно анализу фильтрационных сопротивлений, максимальный дебит метана достигается при использовании нескольких скважин, в которых созданы протяженные продольные трещины гидроразрыва в плоскости пласта (см. Сердюков С.В., Курленя М.В., Рыбалкин Л.А., Шилова Т.В. Влияние гидроразрыва угля на фильтрационное сопротивление зоны дренирования дегазационной скважины // ФТПРПИ. -2019. - №2. - С. 3-13.). Дегазационные схемы на основе одиночных скважин, скважин с продольной вертикальной трещиной или скважин с несколькими поперечными трещинами показывают более высокие значения фильтрационного сопротивления зоны дренирования, что снижает эффективность дегазации.It has been established that the ability of the reservoir to gas recovery is determined by its permeability, and the efficiency of degassing is determined by the filtration resistance of the drainage zone of the degassing system, the primary elements of which are open wells drilled from mine workings. According to the analysis of filtration resistances, the maximum methane production rate is achieved when using several wells, in which extended longitudinal hydraulic fractures are created in the plane of the formation (see S.V. Serdyukov, M.V. Kurlenya, L.A. Rybalkin, T.V. Shilova. Influence of hydraulic fracturing of coal on the filtration resistance of the drainage zone of a degassing well // FTPRPI. -2019. - No. 2. - P. 3-13.). Degassing schemes based on single wells, wells with a longitudinal vertical fracture or wells with several transverse fractures show higher filtration resistance values of the drainage zone, which reduces the efficiency of degassing.

Отметим, что использование стандартной методики и средств шахтного ГРП чаще всего приводит к неконтролируемому развитию трещины с выходом в кровлю и подошву горизонтального угольного пласта, что не является оптимальным вариантом для целей дегазации с точки зрения фильтрационного сопротивления подобной системы. Для выполнения направленного гидроразрыва используют такие способы, как нарезание инициирующих щелей на забое и стенках скважины, изменение напряженного состояния в окрестности скважины, группирование горизонтальных и вертикальных скважин, однако, не все из них можно использовать для создания протяженных трещин гидроразрыва в плоскости угольного пласта.Note that the use of standard mine hydraulic fracturing techniques and tools most often leads to uncontrolled crack development with access to the top and bottom of a horizontal coal seam, which is not an optimal option for degassing purposes in terms of the filtration resistance of such a system. To perform directional hydraulic fracturing, such methods are used as cutting initiation slots on the bottom hole and the wellbore walls, changing the stress state in the vicinity of the well, grouping horizontal and vertical wells, however, not all of them can be used to create extended hydraulic fractures in the plane of the coal seam.

Известен способ проведения направленного гидроразрыва пласта в двух горизонтальных стволах скважины по патенту РФ №2401943 (МПК Е21В 43/26, опубл. 20.10.2010 г., бюл. 29), включающий забуривание из вертикальной скважины двух горизонтальных стволов, их перфорацию, затем спускают в каждый горизонтальный ствол обсадную колонну, а перфорацию в горизонтальных стволах скважины проводят с помощью гидромеханического щелевого перфоратора за одну спуско-подъемную операцию в каждом горизонтальном стволе скважины, азимутально сориентированную по направлению от одного горизонтального ствола скважины к другому в одной вертикальной плоскости, проходящей параллельно оси вертикальной скважины и перпендикулярно оси нижнего горизонтального ствола скважины, после чего закачку жидкости разрыва и песконосителя производят в каждый горизонтальный ствол.A known method of conducting directional hydraulic fracturing in two horizontal wellbores according to RF patent No. 2401943 (IPC Е21В 43/26, publ. 20.10.2010, bull. 29), including drilling two horizontal wells from a vertical well, perforating them, then lowering them casing into each horizontal borehole, and perforation in horizontal boreholes is carried out using a hydromechanical slotted perforator in one round trip in each horizontal borehole, azimuthally oriented in the direction from one horizontal borehole to another in one vertical plane parallel to the axis vertical well and perpendicular to the axis of the lower horizontal wellbore, after which fracturing fluid and sand carrier are injected into each horizontal wellbore.

Известен способ ориентирования трещин гидравлического разрыва в подземном пласте, вскрытом горизонтальными стволами по патенту РФ №2591999 (МПК Е21В 43/17, Е21В 43/267, опубл. 20.07.2016 г., бюл. 20), включающий закачку первой жидкости гидроразрыва в первый горизонтальный ствол под давлением для создания поля напряжений вокруг заданного сегмента ствола, одновременную закачку второй жидкости гидроразрыва под давлением, содержащей частицы расклинивающего агента, во второй горизонтальный ствол, расположенный на некотором расстоянии по вертикали от первого ствола с целью формирования трещин, распространяющихся от выбранных сегментов второго ствола по направлению к выбранным сегментам первого ствола.There is a known method for orienting hydraulic fractures in an underground formation, opened by horizontal wells according to RF patent No. 2591999 (IPC E21B 43/17, E21B 43/267, publ. 20.07.2016, bull. 20), including the injection of the first hydraulic fracturing fluid into the first pressurized horizontal borehole to create a stress field around a given borehole segment, while simultaneously pumping a second pressurized fracturing fluid containing proppant particles into a second horizontal borehole located at some vertical distance from the first borehole in order to form fractures that propagate from selected segments of the second the trunk towards the selected segments of the first trunk.

Известен способ разработки плотных карбонатных залежей нефти по патенту РФ №2627338 (МПК Е21В 43/26, Е21В 43/27, опубл. 07.08.2017 г., бюл. 22), включающий бурение скважин с горизонтальным окончанием, цементирование в горизонтальном стволе кольцевого пространства между обсадной колонной и коллектором, вторичное вскрытие залежи с ориентированным направлением перфорационных отверстий в один ряд, проведение многостадийного гидравлического разрыва пласта.A known method for the development of dense carbonate oil deposits according to RF patent No. 2627338 (IPC Е21В 43/26, Е21В 43/27, publ. 08/07/2017, bull. 22), including drilling wells with horizontal ends, cementing in the horizontal wellbore of the annular space between the casing and the reservoir, re-opening the reservoir with the oriented direction of the perforations in one row, carrying out a multi-stage hydraulic fracturing.

К недостаткам известных способов по патентам РФ №2401943, №2591999 и №2627338 относится значительный объем дополнительных работ, связанный с установкой и цементированием обсадных колонн в горизонтальные стволы скважины, а также сложность создания ориентированных в заданном направлении перфорационных отверстий и щелей для управления траекторией развития трещин гидроразрыва, что снижает общую эффективность проводимых работ по интенсификации дегазации угольного массива методом ГРП.The disadvantages of the known methods according to RF patents No. 2401943, No. 2591999 and No. 2627338 include a significant amount of additional work associated with the installation and cementing of casing strings in horizontal wellbores, as well as the complexity of creating perforations and slots oriented in a given direction to control the trajectory of fracture development. hydraulic fracturing, which reduces the overall efficiency of the work being carried out to intensify the degassing of the coal mass by hydraulic fracturing.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ проведения локального направленного гидроразрыва пласта (патент РФ №2335628, МПК Е21В 43/26, опубл. 10.10.2008 г., бюл. 28), включающий определение напряженных зон в пласте-коллекторе необсаженного ствола скважины сейсмическим зондированием методом рассеянных волн, бурение боковых параллельных стволов малого диаметра вдоль оси главных напряжений сжатия горного массива, при этом расстояние между параллельными горизонтальными стволами выбирают из условия обеспечения их устойчивости и проведения вертикального гидроразрыва по длине горизонтальных стволов с обеспечением движения трещин навстречу друг другу и их слияния с вовлечением в разработку целиков нефти, ее тупиковых и застойных зон в пласте с подошвенной водой или в пласте с выше и нижележащей водой.The closest to the proposed solution in terms of the technical essence and the achieved result is a method of conducting local directional hydraulic fracturing (RF patent No. 2335628, IPC Е21В 43/26, publ. 10.10.2008, bull. 28), including the definition of stressed zones in the reservoir. open-hole collector by seismic sounding using the scattered wave method, drilling of parallel sidetracks of small diameter along the axis of the main compression stresses of the rock mass, while the distance between the parallel horizontal wellbores is selected so that they are stable and vertical hydraulic fracturing is carried out along the length of the horizontal wells while ensuring the movement of fractures towards each other and their merger with the involvement in the development of pillars of oil, its dead-end and stagnant zones in the formation with bottom water or in the formation with above and below water.

К недостаткам этого способа относится необходимость выполнения дополнительных работ по определению напряженных зон в массиве, высокие затраты на бурение боковых стволов меньшего диаметра нестандартным оборудованием, сложность обеспечения параллельности траекторий при бурении боковых стволов, что снижает эффективность способа для решения задачи дегазации угольных пластов.The disadvantages of this method include the need to perform additional work to identify stressed zones in the rock mass, high costs for drilling sidetracks of a smaller diameter with non-standard equipment, the difficulty of ensuring parallel trajectories when drilling sidetracks, which reduces the effectiveness of the method for solving the problem of degassing coal seams.

Предлагаемое решение проблемы состоит в повышении эффективности интенсификации дегазации угольного массива за счет снижения фильтрационного сопротивления зоны дренирования, которое достигается путем формирования продольной трещины гидроразрыва в плоскости пласта.The proposed solution to the problem consists in increasing the efficiency of intensification of degassing of the coal mass by reducing the filtration resistance of the drainage zone, which is achieved by forming a longitudinal hydraulic fracture in the plane of the seam.

Поставленная задача решается тем, что в способе направленного гидроразрыва угольного пласта, включающего бурение вдоль пласта скважины, герметизацию интервала разрыва скважины, подачу в загерметизированный интервал жидкости под давлением и формирование в пласте трещины, согласно техническому решению, в интервале разрыва заблаговременно бурят боковой ствол, ориентированный под углом 15-40 градусов к скважине, обеспечивающим условие устойчивого развития трещины в плоскости, образованной скважиной, местом зарезки бокового ствола и боковым стволом.The problem is solved by the fact that in the method of directional hydraulic fracturing of a coal seam, including drilling along the well formation, sealing the interval of the well fracture, supplying a pressurized fluid to the sealed interval and forming a crack in the formation, according to the technical solution, in the fracture interval, a sidetrack is drilled in advance oriented at an angle of 15-40 degrees to the well, providing a condition for stable fracture development in the plane formed by the well, the sidetrack and the sidetrack.

Указанная совокупность существенных признаков позволяет повысить отбор углеметана из массива путем создания продольной трещины гидроразрыва в пласте. Расположение продольной трещины в плоскости пласта является наиболее эффективным для снижения фильтрационного сопротивления рассматриваемой системы. Формирование концентратора напряжений в месте зарезки бокового ствола способствует началу роста трещины из этой окрестности при подаче жидкости под давлением. В дальнейшем трещина в процессе распространения соединяет скважину и боковой ствол, или несколько боковых стволов, в единую фильтрационную систему. При этом достигается значительный экономический эффект, так как при реализации предлагаемого способа не требуется обсадка скважины и боковых стволов, а также нет необходимости использовать дорогостоящие станки направленного бурения для обеспечения параллельности боковых стволов в пласте.The specified set of essential features allows to increase the extraction of coal methane from the massif by creating a longitudinal hydraulic fracture in the formation. The location of the longitudinal fracture in the plane of the formation is the most effective for reducing the filtration resistance of the system under consideration. The formation of a stress concentrator at the sidetrack site contributes to the initiation of crack growth from this vicinity when fluid is supplied under pressure. Further, the fracture in the process of propagation connects the well and the sidetrack, or several sidetracks, into a single filtration system. In this case, a significant economic effect is achieved, since when implementing the proposed method, casing of the well and sidetracks is not required, and there is no need to use expensive directional drilling machines to ensure parallelism of the sidetracks in the formation.

Из скважины может быть пробурено несколько боковых стволов и выполнен последовательный гидроразрыв, например, с использованием двух пакеров для отсечения заданного интервала разрыва, что позволяет создать несколько продольных трещин с различным расположением плоскостей их распространения и значительно увеличить зону отбора метана в угольном пласте, снизить фильтрационное сопротивление зоны дренирования, повысить эффективность дегазации.Several sidetracks can be drilled from the well and sequential hydraulic fracturing performed, for example, using two packers to cut off a predetermined fracture interval, which makes it possible to create several longitudinal fractures with different locations of their propagation planes and significantly increase the methane production zone in the coal seam, reduce filtration resistance drainage zones, to increase the efficiency of degassing.

Скважина может быть ориентирована по направлению минимального сжимающего напряжения пород, действующего вдоль пласта, что в случае угольных пластов, в которых часто наблюдается превышение горизонтальных напряжений над вертикальным, приводит к распространению трещины преимущественно в плоскости пласта и повышению эффективности дегазации.The well can be oriented in the direction of the minimum compressive stress of the rocks, acting along the seam, which in the case of coal seams, in which the excess of horizontal stresses over vertical is often observed, leads to the propagation of the fracture mainly in the plane of the seam and an increase in degassing efficiency.

Скважина может быть искривлена в плоскости пласта, а боковой ствол или несколько боковых стволов бурят в направлении, противоположном её искривлению, или бурят больше одного бокового ствола по одну или разные стороны от скважины, или боковые стволы бурят, чередуя вдоль скважины то по одну, то по другую стороны от неё, при этом длина боковых стволов может составлять 5-50 метров, что позволяет значительно увеличить зону охвата угольного пласта трещинами гидроразрыва, снизить фильтрационное сопротивление зоны дренирования и повысить эффективность дегазации.The well can be bent in the plane of the formation, and a sidetrack or several sidetracks are drilled in the direction opposite to its curvature, or more than one sidetrack is drilled on one or different sides of the well, or sidetracks are drilled alternating one by one along the well. on the other side of it, while the length of the sidetracks can be 5-50 meters, which makes it possible to significantly increase the coverage area of the coal seam with hydraulic fractures, reduce the filtration resistance of the drainage zone and increase the degassing efficiency.

Предлагаемый способ поясняется на чертеже, где показана скважина, из которой пробурен один боковой ствол. Для проведения гидроразрыва угольного пласта с целью формирования продольной трещины из горной выработки 1 бурят скважину 2 с зарезкой бокового ствола 3. Затем с помощью бурового става, либо другим способом, подают пакер 4 и устанавливают его до места зарезки бокового ствола 3 для герметизации участка скважины вместе с боковым стволом. После этого через пакер 4 нагнетают жидкость разрыва, например воду, в изолированный интервал. При этом в области 5, содержащей концентратор напряжений, который формируется в месте зарезки бокового ствола, начинается рост трещины 6 гидроразрыва. В результате трещина 6 гидроразрыва развивается продольно и соединяет скважину 2 и боковой ствол 3 в единую фильтрационную систему, что значительно повышает эффективность дегазации. Бурение бокового ствола выполняют под углом 15-40 градусов к скважине, обеспечивающим условие устойчивого развития трещины в плоскости, образованной скважиной, местом зарезки бокового ствола и боковым стволом.The proposed method is illustrated in the drawing, which shows a well from which one sidetrack was drilled. To carry out hydraulic fracturing of a coal seam in order to form a longitudinal crack from a mine working 1, a well 2 is drilled with sidetracking 3. Then, using a drilling rod, or in another way, packer 4 is fed and installed to the sidetrack 3 to seal the well section together with a side trunk. After that, fracturing fluid, for example water, is injected through the packer 4 into the isolated interval. At the same time, in the region 5, containing the stress concentrator, which is formed at the sidetrack, the growth of the hydraulic fracture 6 begins. As a result, hydraulic fracture 6 develops longitudinally and connects well 2 and sidetrack 3 into a single filtration system, which significantly increases the degassing efficiency. The sidetrack is drilled at an angle of 15-40 degrees to the borehole, which provides a condition for the stable development of a crack in the plane formed by the borehole, the sidetrack and the sidetrack.

Claims

1. A method of directional hydraulic fracturing of a coal seam, including drilling along the seam of the well, sealing the interval of the well fracture, supplying the sealed interval with fluid under pressure and forming a crack in the seam, characterized in that in the interval of the fracture, a sidetrack is drilled in advance, oriented at an angle of 15-40 degrees to the well, providing a condition for stable fracture development in the plane formed by the well, the sidetrack and the sidetrack.

2. The method according to claim 1, characterized in that more than one sidetrack is drilled and sequential hydraulic fracturing is performed therein.