CC BY
46
УДК 550.832
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД В ПРОТЯЖЕННЫХ ПЛАСТОВЫХ СКВАЖИНАХ
Андрей Владимирович Патутин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)335-96-42, e-mail: andrey.patutin@gmail.com
Сергей Владимирович Сердюков
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией, тел. (383)335-96-42, e-mail: ss3032@yandex.ru
Для обеспечения безопасности подземных горных работ применяются различные технологии, позволяющие снизить риски возникновения опасных ситуаций. При разработке угольных месторождений используют дегазационные скважины, через которые откачивают метан из пластов, повышая безопасность добычи. В последнее время наблюдается развитие технологий направленного бурения протяженных скважин из выработок, которые имеют длину до 1 000 метров с минимальным отклонением от заданной траектории. Предложен способ проведения исследований в протяженных дегазационных скважинах с помощью оригинальной роботизированной системы доставки на основе сдвоенной пакерной системы. Отличительными особенностями разрабатываемого оборудования является возможность комплексных профильных измерений вдоль ствола скважины с записью уникальных данных нетронутого разработкой массива.
Ключевые слова: пластовые скважины, свойства массива, напряженное состояние, система доставки.
METHODOLOGICAL SOLUTIONS FOR GEOMECHANICAL PROPERTIES DETERMINATION OF ROCKS IN LONG IN-SEAM WELLS
Andrey V. Patutin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Eng, research associate, tel. (383)335-96-42, e-mail: andrey.patutin@gmail.com
Sergey V. Serdyukov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr. Sci., head of laboratory, tel. (383)335-96-42, e-mail: ss3032@yandex.ru
To ensure the safety of underground mining, there are different technologies to reduce the risk of sudden rock outbursts. Coal mines are equipped with degasification system and often have a number of boreholes for efficient and effective gas drainage. The development of in-seam directional drilling technology results in an increase in the length of the wells drilled from underground workings. Up-to-date rigs allow drilling more than 1 000 meters with a minimum deviation from the desired path.
The aim of the study is to develop techniques and methodical approaches to an evaluation of geome-chanical condition and physical properties of a rock mass at a considerable distance from the underground workings. As a result, the work provides a new way of logging in long methane drainage boreholes with original automatic delivery system based on the straddle packer assembly.
Distinctive features of the equipment to be developed are the possibility of complex profile measurements along the borehole with unique properties of intact rock mass recording.
Key words: in-seam wells, rock massif properties, stress state, delivery system.
Угольные шахты относятся к опасным производственным объектам, при авариях на которых травмируются люди, в том числе со смертельным исходом. Несмотря на то, что решению проблемы предотвращения подобных аварий и минимизации их последствий уделяется значительное внимание ученых и специалистов, тем ни менее аварийность, обусловленная взрывами метана в действующих выемочных участках, остается на недопустимо высоком уровне. Наиболее разрушительными и мощными, в том числе по травматическому воздействию на людей, взрывы метана происходят в шахтах, в которых отрабатываются пологие угольные пласты высокопроизводительными очистными механизированными комплексами. Особую озабоченность вызывает то, что в последние годы в высокопроизводительных шахтах, отрабатывающих пологие угольные пласты, взрывы метана стали доминирующим видом аварий.
Повышение интенсивности, глубины, сложности геолого-физических условий и геодинамической обстановки подземной разработки угольных месторождений современными высокопроизводительными техническими комплексами уменьшает время для принятия решений и корректирования процесса разработки после обнаружения проблемных участков перед фронтом очистных работ. Это ведет к простоям дорогостоящего горного оборудования, снижает производительность труда в угледобывающей отрасли.
Недостаточность заблаговременной информации о состоянии массива горных работ повышает риск катастрофических проявлений горного давления, гидро- и газодинамических явлений, особенно при разработке глубокозалегающих газоносных угольных пластов.
Одним из элементов решения этой проблемы является повышение глубины и комплексности исследований состояния углепородного массива, в частности, за счет выполнения измерений в протяженных пластовых скважинах направленного бурения, технология создания которых получила распространение в горнодобывающей промышленности развитых стран. Другой важной проблемой является развитие методов прогнозной оценки реакции газоносных угольных пластов на техногенные изменения геомеханического состояния в зоне влияния очистных работ.
Скорость разработки угольных пластов современными высокопроизводительными очистными комплексами часто ограничивается только по газовому фактору. Для снижения количества метана в очистном забое применяется предварительная дегазация. Рост объемов бурения протяженных дегазационных скважин из выработок, в том числе с помощью комплексов направленного бурения, позволяет говорить, что все больше внимания уделяется вопросам безопасности и рационального использования метана угольных пластов.
Современные буровые установки (рис. 1) позволяют проходить до 1000 м и более по угольному пласту, контролируя положение долота в каждый момент времени; имеют различный размер и модульное строение, позволяют достигать больших объемов бурения дегазационных скважин [1, 2].
Рис. 1. Установки направленного бурения: 1-VLD 1000А (Австралия),
2 - ZDY 4000 LD (Китай)
Опыт разработки газоносных угольных пластов в Китае и Австралии показывает эффективность дегазационных схем, основанных на большом объеме направленного глубокого бурения из горных выработок. В каждом случае утверждается определенная схема разбуривания, оцениваются такие параметры как время дегазации, снижения содержания метана и прочие.
Для проведения эффективной дегазации нужны данные по газоносности, фильтрационным свойствам и геомеханическому состоянию угольных пластов. Одной из основных причин несвоевременности прогноза выбросоопасности участков углепородного массива и объемов метановыделения в горные выработки и дегазационные скважины является отсутствие надежных систем комплексных скважинных исследований в протяженных скважинах. Такие исследования необходимы для оптимизации технологических схем предварительной дегазации, оценки опасности катастрофических проявлений газодинамических явлений и горного давления, поисков перспективных участков добычи метана, прогноза выбросоопасности.
Встречается мало работ, посвященных геофизическим и гидродинамическим исследованиям протяженных скважин, пробуренных из подземных выработок. Чаще всего данные об углепородном массиве получают в процессе бурения с помощью гамма каротажа.
Проведение комплекса ГИС осложнено специфическими условиями записи: скважины часто не содержат бурового раствора, используемые в традиционной нефтяной отрасли приборы требуют дополнительных калибровок, так как существуют значительные отличия в физических свойствах углей и пород
нефтегазоносного комплекса, оборудование должно быть выполнено во взры-вобезопасном исполнении. Другой проблемой является то, что данные скважины сразу подключаются к общей системе удаления метана и не используются для определения уникальных свойств незатронутого разработкой массива.
Исходя из анализа известных решений, предложена оригинальная идея совмещения в одном устройстве роботизированной системы доставки в заданный интервал скважины, модулей герметизации интервала гидроразрыва и инициатора гидроразрыва горных пород в плоскости ортогональной оси скважины. Использование системы с двумя сдвоенными пакерами позволяет проводить гидравлический разрыв породы с целью интенсификации дегазации массива, либо применять метод измерительного разрыва для оценки напряженного состояния пласта. Конструкция устройства обеспечивает возможность его самостоятельного передвижения вглубь скважины без досылочных устройств (рис. 2).
Рис. 2. Устройство доставки, основанное на принципе возвратно-поступательного движения: 1 - надувные пакеры; 2 - гидравлический цилиндр; 3 - интервал разрыва
На первом шаге устройство помещают в скважину для проведения исследований, оба пакера находятся в нерабочем состоянии. Перед началом движения подают давление в дальний от устья скважины пакер, что приводит к его надежному закреплению. Затем с помощью гидравлического цилиндра происходит подтягивание всего устройства относительно закрепленного пакера (шаг 2). После этого надувают ближний пакер, а дальний от устья скважины пакер сдувают, сбрасывая давление. Специальная пружина подтягивает дальний пакер к гидравлическому цилиндру (шаг 3). После сбрасывания давления в ближнем пакере устройство завершает один цикл движения и начинается новый цикл.
Профильные измерения физических свойств массива, а также гидроразрыв, могут проводиться при вытягивании устройства из скважины или его работы в реверсном режиме. Замеры или воздействия проводятся в заданных точках с необходимой частотой.
Относительно небольшие размеры устройства позволят проводить операцию направленного гидроразрыва в искривленных скважинах, а применение па-керных оболочек длинной до 1 метра значительно улучшит качество герметизации интервала разрыва и исключит обход пакеров трещиной. Получение поперечной трещины предлагается обеспечивать за счет малой длины интервала разрыва (менее двух диаметров скважины) и встроенного инициатора гидроразрыва горных пород в плоскости оси скважины.
Данная компоновка позволяет выполнять множественный поинтервальный разрыв в пластах с целью интенсификации дегазации метана [3], постановку непроницаемых для газа и воды экранов с помощью двухкомпонентных затвердевающих жидкостей разрыва[4, 5], а также оценивать напряженное состояние массива за счет выполнения измерительного гидроразрыва [6].
Работа поддержана Министерством образования и науки РФ в рамках проекта RFMEFI60414X0096.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Hungerford F., Ren T., Aziz N. Evolution and application of in-seam drilling for gas drainage. // International Journal of Mining Science and Technology. - 2013. -Vol. 23.- P. 543-553.
2. Karacan C. Integration of vertical and in-seam horizontal well production analyses with stochastic geostatistical algorithms to estimate pre-mining methane drainage efficiency from coal seams: Blue Creek seam, Alabama. //International Journal of Coal Geology.- 2013. -Vol. 114. -P. 96-113.
3. Jeffrey R.G., Boucher C. Sand Propped Hydraulic Fracture Stimulation of Horizontal In-seam Gas Drainage Holes at Dartbrook Coal Mine // In: Coal Operators' Conference, University of Wollongong & the Australasian Institute of Mining and Metallurgy (Wollongong,February 4-6, 2004). - Wollongong: University of Wollongong, 2004. - P. 169-179.
4. Курленя М.В., Сердюков С.В., Шилова Т.В., Патутин А.В. Герметизация дегазационных скважин угольных пластов методом барьерногоэкранирования // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2014. - № 4. - С. 189-194
5. Курленя М.В., Сердюков С.В., Шилова Т.В., Патутин А.В. Методические основы и технические средства герметизации дегазационных скважин методом барьерного экранирования. // ФТПРПИ. - 2014. - № 5. - С. 203-210.
6. Мартынюк П. А., Павлов В. А., Сердюков С. В.Комплексное использование гидроразрыва и деформационных измерений в оценке напряженного состояния массива проницаемых горных пород. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - № 2. -С.155-163.
© А. В. Патутин, С. В. Сердюков, 2015
