CC BY
75
______________________________________ © А.А. Шилов, Н.И. Г рибанов,
А.С. Мусатов, М.А. Шилов, 2009
УДК 622.831.325.3:622.245.142.3
А.А. Шилов, Н.И. Грибанов, А.С. Мусатов, М.А. Шилов
О ВТОРИЧНОМ ВСКРЫТИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПРИ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЙ ДЕГАЗАЦИИ
Проведена сравнительная характеристика различных способов вскрытия угольного пласта при заблаговременной дегазационной подготовке выполняемой через скважины, пробуренные с поверхности. По проведенным ранее экспериментальным работам было установлено, что кумулятивная перфорация, применяемая в комплексе с последующим многотрещинным разрывом пласта пороховыми генераторами давления, имеет ряд преимуществ над гидропескоструйной перфорацией. Приведена техническая характеристика корпусных кумулятивных перфораторов.
Ключевые слова: метаноносные угольные пласты, гидрорасчленение, газоотда-ча, кумулятивные перфораторы.
Современное развитие угольной отрасли характеризуется концентрацией производства, повышением производительности, комплексным использованием полезных ископаемых, ужесточением требований безопасности и экологии. К 2020 г. угледобыча в РФ возрастёт в 1,5-2 раза, в т.ч. на метаноугольных месторождениях из метаноносных и выбросоопасных угольных пластов (с 30 до 60 млн т в год), разрабатываемых подземным способом. При разработке таких месторождений важная роль отводиться заблаговременной дегазационной подготовке [1, 2].
Заблаговременная дегазационная подготовка (ЗДП) метаноносных угольных пластов осуществляется через скважины, пробуренные с поверхности, с обязательным применением различных способов активного воздействия на пласт, с целью повышения его проницаемости и газоотдачи. Глубина скважин от 300 до 1200 м, диаметр обсадной колонны не более 146 мм. Радиус зоны влияния скважин составляет от 60 до 150 м.
За период 1960 - 1991 гг. объёмы работ по ЗДП на шахтных полях в Донецком, Карагандинском и Печорском угольных бассейнах составили порядка 500 скважино-обработок такими способами как гидрорасчленение, пневморасчленение, гидродинамические,
импульсно-волновые и др. воздействия. Эффективность дегазации достигала 30-60%, в благоприятных условиях - до 75%. В эти годы была создана теоретическая и нормативно-методическая база ЗДП. Что касается технической базы, то в настоящее время она практически отсутствует в России, но существует и продолжает развиваться в Казахстане, где сохранилось и работает с высокой эффективностью специализированное управление по дегазации на Карагандинском месторождении.
Составной частью работ на скважине при проведении ЗДП является вторичное вскрытие угольного пласта. При этом суммарная площадь перфорационных отверстий в обсадной колонне, равномерность их расположения, размеры вымываемой полости при гидропескоструйной перфорации, или глубина пробиваемых каналов при кумулятивной перфорации, определяют эффективность дальнейших мероприятий по увеличению его проницаемости и газоот-дачи.
Задача настоящей статьи - обратить внимание на преимущества кумулятивной перфорации, применяемой в комплексе с последующим многотрещинным разрывом пласта пороховыми генераторами давления.
Традиционный способ вскрытия угольных пластов - гидропескоструйная перфорация (ГПП). Она обеспечивает разрушение преграды (обсадной колонны и породы) в результате использования абразивного и гидромониторного эффектов высокоскоростных песчано-жидкостных струй, вылетающих из насадок специального аппарата - пескоструйного перфоратора, прикрепленного к нижнему концу насосно-компрессорных труб (НКТ). Песчаножидкостная смесь закачивается в НКТ насосными агрегатами высокого давления, смонтированными на шасси тяжелых автомашин.
Достоинствами ГПП являются:
- создание щелей и отверстий в обсадной колонне, позволяющих обеспечить
большую площадь вскрытия колонны;
- образование вокруг скважины полости радиусом до 2-3 метров;
- чистая поверхность создаваемой полости и сохранность естественной
проницаемости призабойной зоны пласта (ПЗП).
Рис. 1. Фрагмент обсадной колонны после гидропескоструйной перфорации (скв. У-3354, поле шахты «Коммунист»)
Однако, сложность операции, задалживание мощных технических средств и большого числа обслуживающего персонала, загрязнение окружающей среды определяют довольно высокую стоимость этого способа перфорации. По этой Л Отверстия в Колонне после причине такой способ
гщфопескострлтЬшй перфорации перфорации практически
не стал применяться для вскрытия пластов в нефтяных и газовых скважинах, где вытеснен кумулятивной перфорацией. При ЗДП угольных пластов в настоящее время применяется только ГПП, причём, как отмечено выше, такие работы проводятся только на Карагандинском месторождении. Пример, характеризующий качество вскрытия обсадной колонны гидропескоструйной перфорацией, показан на рис. 1.
В практике ЗДП известны случаи вскрытия угольных пластов кумулятивными бескорпусными перфораторами ПКС-80 и ПР-54, относящихся к поколению относительно старых типов перфораторов. На трёх скважинах (поля шахт «Коммунист» в Донбассе и «Комсомольская» в Воркуте), после вскрытия пластов, применялись пороховые генераторы давления ПГДБК-100 с целью создания развитой сети трещин в ПЗП. Установлено, что при такой последовательности работ фильтрационные, физико-механические и газодинамические свойства пласта могут изменяться в радиусе нескольких десятков метров от скважины. Газо- и гидропроницаемость пласта увеличивается на 2-3 порядка, дебит метана возрастает многократно [3].
Таким образом, в результате последующего за кумулятивной перфорацией многотрещинного разрыва пласта пороховым генератором давления устраняются и свойственные кумулятивной перфорации недостатки:
- скин-эффекты, возникающие при бурении и связанные с глинистой коркой, зонами кольматации и проникновения фильтрата, а также скин-эффекты, возникающие при проведении перфорации и связанные с несовершенством вскрытия (малые диаметры и длины пробиваемых каналов);
- разрушаются шламовые корки на внутренней поверхности перфорационных каналов, разрушаются отложения твёрдых частиц породы, закупоривающих каналы, разрушаются зоны уплотнения пород с ухудшенной проницаемостью, расположенные за зонами дробления пород и так же, как и они, окаймляющие перфорационные каналы.
О эффективности вскрытия пластов ГПП и кумулятивной перфорацией можно судить по результатам экспериментальных работ, выполненных в скважинах У-3354 и У-4032 и подземных горных выработках на поле шахты «Коммунист» (табл. 1). Здесь, даже при исключительно неравных параметрах вскрытия и количествах операций с генераторами ПГДБК-100, видна принципиальная возможность замены ГПП на кумулятивную перфорацию.
Преимущество кумулятивной перфорации над гидропескоструйной заключается в её мобильности, быстроте исполнения, меньшей стоимости и экологической чистоте. Следует подчеркнуть и широкий диапазон характеристик современных типов перфораторов: диаметр создаваемых отверстий в колонне и породе от 7 до 27 мм, протяженность каналов в породе от 110 до 1300 мм, плотность перфорации от 6,7 до 40 отверстий на погонный метр за один отстрел (спуск) перфоратора.
В табл. 2 приведена техническая характеристика корпусных кумулятивных перфораторов нового поколения, применение которых, по нашему мнению, будет наиболее эффективным. Этот выбор сделан из следующих соображений.
Во-первых, корпусные перфораторы обладают меньшим фугасным воздействием на обсадную колонну и цементный камень. Например, избыточное давление в скважине, создаваемое перфораторами типа ПК105, составляет от 4,5 до 45,9 МПа, а у бескорпус-ных - от 60 до 130 МПа [4].
Таблица 1
Сравнительные данные по разным видам вскрытия угольного пласта
Вид работ, параметр Скв. У-3354 Скв. У-4032
1 2 3
Вид перфорации, суммарная площадь отверстий Гидропескоструй- ная, 250 см2 Кумулятивная, ПКС-80, 36 см2
Интервал перфорации, м 316^317,1 480+481,2; 40 отверстий
Общая пористость, %; газопроницаемость/водопроницаемость угольных образцов пласта g2H , мД Кп=11,9; ^=0,55+0,80/0,0035+0,0050
Количество операций с газогенераторами ПГДБК-100 и максимальные давления в зоне обработки, МПа 12; Рмах=10,6^27,1 3; Рмах=14,6^18,9
Коэффициент приёмистости при закачке воды, м3/МПа-с: после перфорации/после обработки ПГДБК-100 0,12х10'4 13,70х10'4 0,06х10'4 0,43х10'4
Газопроницаемость по КВД: после перфо-рации/после обработки ПгДбК-100, мД 0,38 33,4 -
Дебит метана, м3/мин: после перфорации/после обработки ПГДБК-100 0,006 -
0,288 0,100
Как показано на рис. 2, их многократное применение в одном интервале скважины, с целью создания необходимой площади вскрытия, не приводит к существенной деформации колонны [5]. Во-вторых, следует отдавать предпочтение перфораторам с большим диаметром пробиваемых каналов, что создаёт благоприятные условия для последующего применения различных способов воздействия на пласт.
Данная стратегия выбора кумулятивных перфораторов согласуется с рекомендациями для планирования гидроразрыва [6] и газодинамического разрыва пласта пороховыми генераторами давления в нефтяных скважинах [7]. При этом в обеих указанных работах отмечается значимость такой характеристики перфоратора, как фазировка зарядов. Наилучший вариант, когда она равна 60о и менее. Следует подчеркнуть, что амплитудно-временные характеристики импульсов давления, создаваемых современными типами твёрдотопливных генераторов давления, значительно превосходят применяемые ранее генераторы.
143
Таблица 2
Техническая характеристика корпусных кумулятивных перфораторов
Перфоратор Поперечный габарит, мм І ® 8 §^1©5 Э^®0 я§ Фазировка зарядов, градусы Масса ВВ одного заряда, г Минималь-ное/макси-мальное допустимое давление, МПа Максимальная плотность перфорации за один спуск, отв/м Размеры проби нала, м § 8 д І « 1 де 2 і * §2^ © с ^ И“ с ваемого ка-ім м £ К н 5 Е 3§ £
ВНИПИ «Взрывгео< >изика»
Корпусный многократного использования:
ПК105-7 105 124 90, 60 22,0 0,1/50 12 220 19,5
Корпусный однократного использования:
ПКТ114КЛ 114 140 60 31 0,1/- 18 210 24
ПКТ105Н 102 124 60 36 0,1/120 18 210 25
ПКТ73 73 88 60, 90 19 0,1/- 20 170 18
ЗАО НТФ «Перфотех»
Корпусные многократного применения
ПК105СМ 102 118 180 21 0,1/100 12 210 21
Модульные перфораторы
ПМ73СКА 73, 86 88, 98 60 17 0,1/50 15,19 199 16,5
ПМ73СКА-01 80, 86 95, 98 60 17 0,1/50 15,19 199 16,5
Schlumberger (Перфорационные системы с зарядами РотеепШ)
114 мм 114 168 72 38,8 -/62 16,4 939,8 14,5
89 мм 89 127 60 21,8 -/131 20 327,4 14,2
73 мм 73 114 60 15 -/138 20 167 17,8
Российский Федеральный Ядерный Центр ВНИИЭФ
ТПМК105 105 125 90 23 5/80 13 700 14
Рис. 2. Состояние обсадной колонны после многократного прострела корпусным перфоратором типа ПК-105.
а - 100 отв./пог. м; б - фрагмент увеличен в 5 раз
Выводы
1. При заблаговременной дегазационной подготовке
угольных пластов выполняемой через скважины, пробуренные с поверхности, возможна замена традиционной гидропескост-
руйной перфорации на кумулятивную с последующей обработкой призабойной зоны пласта пороховыми генераторами давления.
2. Эффективность вскрытия угольных пластов современными типами перфораторов, отличающихся большим диаметром и глубиной пробития перфорационных каналов, будет значительно выше тех, что применялись в 80-е - 90-е годы. В комплексе с генераторами давления рекомендуется применять корпусные перфораторы, создающие перфорационные каналы большого диаметра, от 14 до 25 мм.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Шилов А.А., Агарков А.В. Методология оценки перспектив промышленной добычи метана в Печорском угольном бассейне. М.: Изд. «Институт ИСПИН», 2003. - 560 с.
2. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Проблемы реализации концепции метанобезопасности на угольных шахтах России // Уголь. - 2009. - № 1. -С. 26-30.
3. Шилов А.А., Грибанов Н.И., Стоян Н.М., Мусатов А.С. Результаты и перспективы применения газогенераторов на высокоэнергетическом твердом топливе при дегазации угольных пластов. ГИАБ, - М.: Изд. МГГУ, 2008, Тематическое приложение МЕТАН, с. 278-303.
4. Савич А.Д., Элькинд С.Я. Вторичное вскрытие продуктивных пластов. Техника и технологии. В НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС, 2003, вып. № 106, с. 120-133.
5. Войтенко Ю.И и др. Взрывные и импульсные методы интенсификации добычи нефти и газа. В НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС, 2005, вып. № 3-4, с.
6. Косад Чарли. Выбор стратегии перфорирования // Нефтегазовое обозрение. - 1988.
7. Беляев Б.М., Санасарян Н.С., Улунцев Ю.Г., Грибанов Н.И. и др. Инструкция по применению пороховых генераторов давления ПГД.БК в скважинах. М.: ВИЭМС, 1989. - 80 с. ЕШ
Shilov A.A., Gribanov N.I., Musatov A.S., Shilov M.A.
ON THE SECONDARY OPENING OF COAL-BEDS AT PRELIMINARY DEGASSING
There were held a comparative analysis of methods of opening coal-beds in case of preliminary degasation preparation which is done through the bored from the surface wells. According to the recent experimental work, cumulative perforation, which is followed by formation breakdown with lots of splits via powder pressure generator, has some advantages than hydraulic jet perforating. There is technical specification of hol-low-carrier jet gun.
Key words: methaniferous coal seams, hydro dismemberment, gas recoil, cumulative perforator.
— Коротко об авторах --------------------------------
Шилов А.А. - кандидат технических наук,
Грибанов Н.И., Мусатов А.С., Шилов М.А. - инженеры, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
6S-SG.
