RU2730689C1

RU2730689C1 - Method of hydraulic fracturing of coal bed

Info

Publication number: RU2730689C1
Application number: RU2019140216A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Сердюков; Андрей Владимирович Патутин; Леонид Алексеевич Рыбалкин; Татьяна Викторовна Шилова; Антон Витальевич Азаров
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 in underground coal mining for intensification of degassing of coal bed unloaded from coal pressure by hydraulic fracturing method. Invention comprises method of hydraulic fracturing of coal bed. Proposed method comprises well drilling in reservoir, sealing of well rupture interval, injection of water under pressure into formation fracture interval. At that proppant is arranged therein prior to sealing of rupture interval. Proppant consists of granules of round shape with size of 270–325 mesh and density below water density in amount sufficient to fill the formed crack with one layer of granules.EFFECT: technical result is higher efficiency of proppant pumping and wedging of formed fractures of hydraulic fracturing of coal bed performed by water.1 cl

Description

Предлагаемое техническое решение относится к горному делу и может быть использовано при подземной добыче угля для интенсификации дегазации неразгруженного от горного давления угольного пласта методом гидравлического разрыва.The proposed technical solution relates to mining and can be used in underground coal mining to intensify the degassing of a coal seam unloaded from rock pressure by hydraulic fracturing.

В угледобывающей промышленности широкое распространение получили способы гидравлического разрыва угольного пласта без расклинивания формируемых трещин проппантом, включающие бурение скважины, герметизацию ее интервала и нагнетание в загерметизированный интервал воды с повышением ее давления до образования в пласте трещин, способствующих дренированию угольного пласта, увеличению темпа и степени его дегазации (см. Инструкцию по дегазации угольных шахт от 01.12.2011, №679).In the coal mining industry, methods of hydraulic fracturing of a coal seam without wedging of the formed cracks with proppant have become widespread, including drilling a well, sealing its interval and injecting water into a sealed interval with an increase in its pressure until cracks are formed in the seam, contributing to the drainage of the coal seam, increasing the rate and degree of it. degassing (see Instructions for degassing coal mines dated 01.12.2011, No. 679).

Отказ от использования проппанта приводит к недостаточной, с точки зрения повышения эффективности дегазации угольного пласта, проницаемости формируемых трещин, берега которых смыкаются под действием горного давления. Об этом свидетельствуют полученные результаты опытных работ показавшие, что гидравлический разрыв угольного пласта водой без заполнения трещин проппантом дает лишь кратковременное увеличение дебита дегазационной скважины до 3 раз, но не оказывает практически значимого влияния на извлечение метана скважиной за весь период ее эксплуатации, в то время как расклинивание трещин проппантом повышает дебит дегазационных скважин в 5-180 раз на продолжении нескольких месяцев и способствует существенному увеличению темпа и степени дегазации угольных пластов (см. например: Jeffrey, R.G.; Boucher, С. Sand propped hydraulic fracture stimulation of horizontal in-seam gas drainage holes at Dartbrook Coal Mine. In: COAL2004 Symposium, University of Wollongong; February 4-6 2004; Wollongong. Wollongong: University of Wollongong; 2004. - pp. 169-179).Refusal to use proppant leads to insufficient, from the point of view of increasing the efficiency of coal seam degassing, permeability of the formed fractures, the shores of which are closed under the action of rock pressure. This is evidenced by the obtained results of experimental work, which showed that hydraulic fracturing of a coal seam with water without filling the cracks with proppant gives only a short-term increase in the flow rate of a degassing well up to 3 times, but does not have a practically significant effect on methane extraction by a well for the entire period of its operation, while proppant wedging of fractures increases the flow rate of degassing wells by 5-180 times over the course of several months and contributes to a significant increase in the rate and degree of degassing of coal seams (see for example: Jeffrey, RG; Boucher, С. Sand propped hydraulic fracture stimulation of horizontal in-seam gas drainage holes at Dartbrook Coal Mine. In: COAL2004 Symposium, University of Wollongong; February 4-6 2004; Wollongong. Wollongong: University of Wollongong; 2004. - pp. 169-179).

Указанный недостаток преодолен в способах гидравлического разрыва угольного пласта, в которых в загерметизированный интервал скважины нагнетают под высоким давлением жидкость, несущую гранулы проппанта. Для переноса гранул проппанта нагнетаемая жидкость должна обладать достаточной грузонесущей способностью, что может быть достигнуто за счет применения проппантов низкой плотности, повышения скорости нагнетания жидкости или ее вязкости путем добавок в нее различных загустителей.This disadvantage is overcome in the methods of hydraulic fracturing of a coal seam, in which a liquid carrying proppant granules is injected into a sealed interval of a well under high pressure. To transfer the proppant granules, the injected fluid must have sufficient load-carrying capacity, which can be achieved by using low density proppants, increasing the fluid injection rate or its viscosity by adding various thickeners to it.

Известен способ гидравлического разрыва угольного пласта по патенту РФ №2576424 (МПК Е21В 43/267, опубл. 10.03.2016, бюл. 7), включающий нагнетание в угольный пласт водного раствора соли хлористого калия с проппантом при давлении, достаточном для гидравлического разрыва пласта, с темпом закачки, обеспечивающим создание протяженных трещин, в котором используют 4%-ный раствор соли хлористого калия, в качестве проппанта (расклинивающего агента) кварцевый песок диаметром 40-70 меш, для удержания которого во взвешенном состоянии темп закачки жидкости составляет 4.2 м /мин.There is a known method of hydraulic fracturing of a coal seam according to RF patent No. 2576424 (IPC E21B 43/267, publ. 03/10/2016, bull. 7), including the injection into the coal seam of an aqueous solution of potassium chloride salt with proppant at a pressure sufficient for hydraulic fracturing, with an injection rate that ensures the creation of extended fractures, in which a 4% solution of potassium chloride salt is used, quartz sand with a diameter of 40-70 mesh is used as a proppant (proppant), to keep it in suspension, the injection rate is 4.2 m / min ...

Известны способы гидравлического разрыва угольного пласта по евразийским патентам №015158 (МПК Е21В 43/26, Е21В 43/00, С09К 8/74, E21F 7/00, опубл. 28.04.2009) и №004514 (МПК Е21В 43/26, 43/25, опубл. 30.06.2001) в которых гидравлический разрыв включает нагнетание жидкости для гидравлического разрыва, несущей расклинивающие наполнители - проппант. При этом жидкость для выполнения гидравлического разрыва угольного пласта может содержать жидкость-носитель, загуститель, амфотерное поверхностно-активное вещество и расклинивающий наполнитель (проппант).Known methods of hydraulic fracturing of a coal seam according to Eurasian patents No. 015158 (IPC E21B 43/26, E21B 43/00, S09K 8/74, E21F 7/00, publ. 28.04.2009) and No. 004514 (IPC E21B 43/26, 43 / 25, publ. 06/30/2001) in which hydraulic fracturing includes the injection of hydraulic fracturing fluid carrying proppants - proppant. In this case, the fluid for performing hydraulic fracturing of the coal seam may contain a carrier fluid, a thickener, an amphoteric surfactant, and a proppant.

Недостатком способов гидравлического разрыва угольного пласта по патенту РФ №2576424 и евразийским патентам №015158, №004514 является нагнетание проппанта в загерметизированный интервал скважины в составе жидкости для гидравлического разрыва, содержащей дополнительные компоненты, что ведет к усложнению и удорожанию работ по сравнению с гидравлическим разрывом угольного пласта водой, требует применения дополнительного специального оборудования шахтного исполнения. Известно, что дегазация угольных пластов на угледобывающих шахтах является составной операцией подземной добычи угля, а извлекаемый при этом метан не является основным полезным ископаемым.The disadvantage of the methods of hydraulic fracturing of a coal seam according to RF patent No. 2576424 and Eurasian patents No. 015158, No. 004514 is the injection of proppant into the sealed interval of the well as part of a hydraulic fracturing fluid containing additional components, which leads to a complication and increase in the cost of work in comparison with hydraulic fracturing of coal formation with water, requires the use of additional special equipment of mine execution. It is known that the degassing of coal seams in coal mines is an integral operation of underground coal mining, and the methane extracted in this process is not the main mineral.

Увеличение расходов на выполнение гидравлического разрыва угольного пласта снижает рентабельность подземной добычи угля. Поэтому, несмотря на положительные результаты опытных работ, применение жидкостей с проппантом для гидравлического разрыва угольного пласта и расклинивания формируемых трещин на угледобывающих шахтах широкого распространения не получило.The increase in the cost of hydraulic fracturing of the coal seam reduces the profitability of underground coal mining. Therefore, despite the positive results of experimental work, the use of fluids with proppant for hydraulic fracturing of a coal seam and wedging of formed cracks in coal mines is not widespread.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ гидравлического разрыва угольных пластов по патенту РФ №2472941 (МПК E21F 7/00, Е21В 43/26, опубл. 20.01.2013, бюл. 2), выполняемый для дегазации угольных пластов, который включает бурение сквозных скважин в угольном массиве из оконтуривающих выработок параллельно очистному забою, нарезание на стенках указанных скважин инициирующих щелей со сдвигом щелей в соседних скважинах на шаг нарезания, герметизацию скважин и формирование трещин гидравлического разрыва угля нагнетанием в них жидкости. Инициирующие щели в известном способе используются для задания направления развития гидравлического разрыва в угольном пласте и не оказывают существенного влияния на проницаемость формируемых трещин. Глубина нарезания щели с помощью щелеобразователя, исходя из существующих технических решений, приблизительно равна радиусу скважины (патенты РФ №2263776, МПК Е21С 37/00, Е21В 43/26, опубл. 10.11.2005, бюл. 31; №2359124, МПК Е21С 37/00, Е21В 43/26, опубл. 20.06.2009, бюл. 17). При этом количество образуемых при нарезке частиц мало для использования их в качестве расклинивающего материала, а их размер неоднороден для равномерного размещения внутри трещины. Другой особенностью создания щелей с помощью известных технических решений щелеобразователей является их функционирование с постоянной подачей промывочно-охлаждающей жидкости в зону нарезки, что приводит к выносу всех образуемых частиц к устью скважины.The closest to the proposed solution in terms of technical essence and the achieved result is a method of hydraulic fracturing of coal seams according to RF patent No. 2472941 (IPC E21F 7/00, E21B 43/26, publ. 20.01.2013, bull. 2), performed for degassing coal seams , which includes drilling through wells in the coal mass from outlining workings parallel to the working face, cutting initiation slots on the walls of these wells with shifting slots in adjacent wells by a cutting step, sealing wells and forming hydraulic fracturing cracks in coal by injecting liquid into them. Initiating slots in the known method are used to set the direction of development of hydraulic fracturing in a coal seam and do not significantly affect the permeability of the formed fractures. The depth of slot cutting using a crevice tool, based on existing technical solutions, is approximately equal to the radius of the well (RF patents No. 2263776, IPC E21C 37/00, E21B 43/26, publ. 10.11.2005, bull. 31; No. 2359124, IPC E21C 37 / 00, E21B 43/26, publ. 20.06.2009, bul. 17). In this case, the number of particles formed during cutting is small for their use as a proppant, and their size is non-uniform for uniform placement inside the crack. Another feature of creating slots using known technical solutions of crevice makers is their operation with a constant supply of flushing and cooling fluid to the cutting zone, which leads to the removal of all formed particles to the wellhead.

Техническая задача, решаемая с помощью предлагаемого способа, состоит в повышении эффективности закачки проппанта и расклинивания формируемых трещин гидравлического разрыва угольного пласта.The technical problem solved using the proposed method consists in increasing the efficiency of proppant injection and wedging of the formed hydraulic fracturing cracks in the coal seam.

Поставленная задача решается тем, что в способе гидравлического разрыва угольного пласта, включающем бурение в пласте скважины, герметизацию интервала разрыва скважины, нагнетание в интервал разрыва воды под давлением и образование в породе трещины, до герметизации интервала разрыва в нем размещают проппант, состоящий из гранул округлой формы размером 270-325 меш и плотностью ниже плотности воды в количестве достаточном для заполнения формируемой трещины одним слоем гранул.The problem is solved by the fact that in the method of hydraulic fracturing of a coal seam, which includes drilling in the well, sealing the interval of the well, injecting water under pressure into the interval of fracture and the formation of a crack in the rock, before sealing the interval of the fracture, a proppant is placed in it, consisting of granules of a round molds with a size of 270-325 mesh and a density below the density of water in an amount sufficient to fill the formed crack with one layer of granules.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Бурение скважины в угольном пласте выполняют с помощью станка, установленного в горной выработке. Затем, в запланированный для проведения гидроразрыва интервал скважины подают проппант, состоящий из гранул округлой формы размером 270-325 меш и плотностью ниже плотности воды в количестве достаточном для заполнения создаваемой трещины одним слоем гранул. Как показывают расчеты, выполненные с использованием математической модели, представленной в работе (Сердюков С.В., Курленя М.В., Рыбалкин Л.А., Шилова Т.В. Влияние гидроразрыва угля на фильтрационное сопротивление зоны дренирования дегазационной скважины // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2019. - №2. - С. 3-13), расклинивание трещины монослоем проппанта указанного размера обеспечивает достаточное снижения фильтрационного сопротивления дренирования угольного пласта дегазационной скважиной.The proposed method is implemented as follows. Drilling a well in a coal seam is performed using a machine installed in a mine working. Then, in the interval of the well planned for hydraulic fracturing, proppant is fed, consisting of rounded granules with a size of 270-325 mesh and a density below the density of water in an amount sufficient to fill the created fracture with one layer of granules. As shown by the calculations performed using the mathematical model presented in the work (Serdyukov S.V., Kurlenya M.V., Rybalkin L.A., Shilova T.V. Effect of hydraulic fracturing of coal on the filtration resistance of the drainage zone of a degassing well // Physics - technical problems of the development of minerals. - 2019. - No. 2. - P. 3-13), wedging of the fracture with a monolayer of proppant of the specified size provides a sufficient reduction in the filtration resistance of the drainage of the coal seam by a degassing well.

Совокупность перечисленных признаков и количество проппанта позволяет осуществить его размещение посредством вдувания в скважину сжатым воздухом с использованием шахтного воздуховода, нагнетания в скважину в смеси с водой под низким давлением с использованием технической воды из шахтного водовода, либо проталкивания в скважину механическим толкателем. Данные операции могут быть выполнены с помощью специального скважинного оборудования без задействования дорогостоящего станка для бурения, что снижает издержки при проведении работ.The combination of the listed features and the amount of proppant allows its placement by blowing compressed air into the well using a mine air duct, injecting it into the well in a mixture with water at low pressure using industrial water from the mine water pipeline, or pushing it into the well with a mechanical pusher. These operations can be performed using special downhole equipment without the use of an expensive drilling rig, which reduces the cost of the work.

Затем выполняют герметизацию интервала разрыва с помощью надувных или нажимных пакеров. В случае, если проведение гидроразрыва запланировано на забое скважины, то используется один пакер. В противном случае, для ограничения интервала разрыва используют два пакера, причем дальний от устья пакер устанавливается до подачи в скважину проппанта. После герметизации интервала разрыва и нагнетания в него воды под высоким давлением, вода заполняет интервал разрыва и смешивается с проппантом, гранулы которого в силу своей низкой плотности, размера и количества всплывают, и вместе с водой заполняют формирующуюся трещину гидроразрыва, расклинивая ее и препятствуя смыканию ее берегов горным давлением после снятия давления воды, что увеличивает проницаемость трещины, повышает эффективность дренирования угольного пласта, темпа и степени его дегазации.Then, the fracture interval is sealed using inflatable or push-on packers. If hydraulic fracturing is planned at the bottom of the well, then one packer is used. Otherwise, two packers are used to limit the fracture interval, and the packer farthest from the wellhead is set before proppant is fed into the well. After sealing the fracture interval and injecting water into it under high pressure, the water fills the fracture interval and mixes with the proppant, the granules of which, due to their low density, size and quantity, float up, and together with water fill the emerging hydraulic fracture, wedging it and preventing it from closing shores by rock pressure after removing the water pressure, which increases the permeability of the fracture, increases the efficiency of drainage of the coal seam, the rate and degree of its degassing.

Указанная совокупность существенных признаков позволяет повысить эффективности закачки проппанта и расклинивания формируемых трещин гидравлического разрыва угольного пласта, выполняемого водой.The specified set of essential features makes it possible to increase the efficiency of proppant injection and wedging of the formed hydraulic fracturing cracks in a coal seam performed by water.

Claims

A method of hydraulic fracturing of a coal seam, including drilling in a well formation, sealing the interval of the well fracture, injecting water into the fracture interval under pressure and the formation of a crack in the rock, characterized in that, before sealing the fracture interval, a proppant is placed in it, consisting of rounded granules with a size of 270 -325 mesh and below the density of water in an amount sufficient to fill the formed crack with one layer of granules.