Способ подземной газификации свиты газоносных угольных пластов и добычи метаногазовой смеси

(51) 21 43/295 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Цель изобретения - повышение полноты извлечения энергии угля и угольного метана из угленосной толщи. Сущность изобретения - по длине каждой горизонтальной скважины осуществляют поинтервальный гидроразрыв пластов свиты, кроме нижнего,путем одновременной закачки рабочей жидкости через нагнетательную и газоотводящую скважины, а газификацию пластов свиты производят в восходящем порядке при давлении 2-3 МПа для извлечения метана из вмещающих пород из вертикальных скважин дополнительно бурят горизонтальные скважины по газоносным породам,а для использования тепловой энергии, аккумулированной в выгазованном пространстве подземного газогенератора, в нагнетательную и газоотводящую скважины закачивают холодный теплоноситель. Положительный эффект - повышение полноты извлечения энергии угля и угольного метана из угленосной толщи.(72) Ли Клим Давыдович Ганжула Александр Александрович Шмидт Михаил Викторович Шалабаев Азамат Женисович(73) Товарищество с ограниченной ответственностью Институт проблем комплексного освоения недр(56) Предварительный патент РК 17783, 21 7/00, 2006(54) СПОСОБ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ СВИТЫ ГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И ДОБЫЧИ МЕТАНОГАЗОВОЙ СМЕСИ(57) Использование - подземная газификация газоносных угольных пластов с целью получения горючих газов, используемых для выработки электрической и тепловой энергии, и добыча метаногазовой смеси. 20171 Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для подземной газификации газоносных угольных пластов и добычи метаногазовой смеси. Известен способ подземной газификации горючих полезных ископаемых, включающий вскрытие продуктивного пласта вертикальной скважиной, ее оборудование обсадной колонной и внутренним ставом труб, подачу кислородсодержащего дутья в пласт по внутреннему ставу с периодическим перемещением точки ввода дутья в пласт частичным извлечением внутреннего става и оплавлением обсадной колонны изменением направления движения огневого забоя навстречу нагнетаемому дутью. А.с. 1716110, СССР, Е 21 В 43/295, Бюл.8, 29.02.92. Недостатком данного способа является низкая полнота извлечения энергии из угленосной толщи. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ дегазации газоносных угольных пластов и добычи метаногазовой смеси, включающий бурение с поверхности на нижний пласт воздухоподающих и газоотводящих скважин, бурение по всем пластам свиты продольных и поперечных скважин, соединение последних с газоотводящими скважинами,сооружение на нижнем пласте подземного газогенератора для получения горячих газов,которые из нижнего пласта направляют в продольные и поперечные скважины, пробуренные по вышележащим пластам. Предварительный патент РК 17783, Е 217 /00, бюл. 9, 15.09.06. Основными недостатками прототипа являются низкая его эффективность по прогреву пластов свиты горячим газом,проходящим через продольные и поперечные скважины, вследствие незначительной природной теплопроводности угля,и недостаточная полнота извлечения энергии угля и угольного метана из угленосной толщи. Задача изобретения - повышение полноты извлечения энергии угля и угольного метана из угленосной толщи. Это достигается тем, что в способе подземной газификации свиты газоносных угольных пластов и добычи метаногазовой смеси, включающем бурение с поверхности на свиту угольных пластов вертикальных нагнетательной и газоотводящей скважин,бурение из них по всем пластам наклонных и горизонтальных скважин с объединением их в единую газогидравлическую систему, оборудование нагнетательной скважины внутренним ставом труб,сооружение на нижнем пласте подземного газогенератора для получения горячих газов, подачу кислородсодержащего дутья но внутреннему ставу с периодическим перемещением точки ввода дутья,направление горячего генераторного газа для прогрева вышележащих угольных пластов, по длине каждой горизонтальной скважины осуществляют поинтервальный гидроразрыв всех пластов, кроме нижнего. При этом рабочую жидкость нагнетают через нагнетательную и газоотводящую скважины одновременно. Это приводит к повышению равномерности обработки пласта за счет 2 взаимодействия встречных потоков жидкости и в конечном итоге к многократному повышению проницаемости угольных пластов за счет раскрытия природных и образования новых трещин. Для сбора жидкости разрыва и разрушенного угля служит зумпф (часть вертикальной скважины,пробуренная на 10-15 м ниже почвы нижнего пласта свиты). После гидроразрыва пластов свиты извлекают внутренний став труб из газоотводящей скважины и приступают к газификации нижнего пласта. При этом кислородсодержащий газ (окислитель) подают в канал газификации под давлением 2-3 МПа по внутреннему ставу труб в нагнетательной скважине с периодическим перемещением точки его ввода в пласт частичным извлчним внутреннего става. Генераторный газ при температуре 800-1000 С под давлением поступает по газоотводящей скважине и межкольцевому зазору нагнетательной скважины в обработанные зоны вышележащих угольных пластов, благодаря чему происходит освобождение фильтрационных каналов от жидкости гидроразрыва и более глубокий и равномерный (по сравнению с прототипом) прогрев угольных пластов. Это, в свою очередь, способствует десорбции угольного метана,который смешивается с генераторным газом,повышая его теплотворную способность, и выдается на поверхность через газоотводящую скважину. В дальнейшем этот газ используется на ТЭС для выработки электрической и тепловой энергии. Кроме того, генераторный газ, протекая по межкольцевому зазору нагнетательной скважины,обеспечивает нагрев кислородсодержащего дутья,что приводит к интенсификации окислительныхпроцессов в подземном газогенераторе. Таким образом, поинтервальный гидроразрыв угольных пластов обеспечивает повышение их трещиноватости (проницаемости), а тем самым и увеличение метаноотдачи пластов, а в последующем - глубокий и равномерный прогрев обработанной зоны генераторным газом, который интенсифицирует процесс десорбции угольного метана(переход из связанного в свободное состояние). С другой стороны, глубокий и равномерный прогрев угольных пластов позволяет повысить качество их термоподготовки к последующей газификации, что в свою очередь увеличивает коэффициент полезного действия процесса газификации. Осуществление процесса газификации угля под давлением 2-3 МПа при постоянной температуре газифицируемой среды приводит к интенсификации реакций метанообразования и к заметному снижению потребления кислорода. Коэффициент перехода тепла из угля в газ за счет 1 м 3 кислорода почти удваивается по сравнению с таковым при атмосферном давлении (Е.В. Крейнин, К.Н. Звягинцев, И.С. Гаркуша. Подземный газогенератор под давлением - перспективное направление бесшахтной разработки угольных месторождений. Уголь, 7, 1990, с. 21-22). Применение парокислородного дутья под давлением 2-3 МПа обеспечивает повышение теплотворной способности получаемого газа до 2000-2500 ккал/м 3. Кроме того, повышение 20171 давления газификации до 2-3 МПа позволяет снизить затраты на бурение скважин за счет уменьшения их диаметра. После завершения газификации нижнего пласта свиты осуществляют газификацию последующего пласта и т.д. в восходящем порядке. При таком порядке отработки свиты газоносных угольных происходит подработка вышележащих угольных пластов, что также способствует интенсификации метановыделения из угля и вмещающих пород. Для извлечения метана из вмещающих пород в них дополнительно бурят горизонтальные скважины из вертикальных скважин, что также способствует повышению полноты извлечения метана из угленосной толщи. После окончания процесса подземной газификации угля в контуре выгазованного пространства угольного пласта образуется мощный источник тепловой энергии - обрушенные горные породы при температуре 800-1000 С. Для использования этой энергии в выгазованное пространство через вертикальные нагнетательную и газоотводящую скважины закачивают холодный теплоноситель(воду, воздух, инертный газ и др.). Проходя через обрушенные горячие породы, теплоноситель нагревается и аккумулирует в полости бывшего подземного газогенератора тепловую энергию,которую можно использовать в течение длительного времени. Использование тепловой энергии, аккумулированной в выгазованном пространстве подземного газогенератора, обеспечивает увеличение коэффициента полезного действия процесса газификации в целом. Сущность заявленного решения поясняется чертежом, где на фиг. 1 дана технологическая схема подземной газификации свиты газоносных угольных пластов. Здесь по пластупоказан процесс газификации пласта, по пластузавершен процесс гидроразрыва пласта, по пластудана схема поинтервального гидроразрыва. На фиг. 2 дана схема газификации по одному пласту свиты. Способ реализуется следующим образом. С поверхности бурят вертикальные нагнетательную скважину 1 и газоотводящую скважину 2 на свиту угольных пластов , ,(фиг. 1). Вертикальные скважины бурят на 10-15 м ниже почвы нижнего пласта свиты для образования зумпфа 8, в котором собирается жидкость гидроразрыва и разрушенный уголь, которые затем выдаются на поверхность методом эрлифта. Скважины обсаживают стальными трубами с цементацией затрубного пространства. Из нагнетательной скважины 1 и газоотводящей скважины 2 по всем пластам свиты бурят наклонные скважины 4, которые соединяют горизонтальными скважинами 5. Затем осуществляют поинтервальный гидроразрыв всех пластов свиты, кроме нижнего, по длине каждой горизонтальной скважины 5. При этом рабочую жидкость закачивают по внутреннему ставу 3 одновременно через нагнетательную и газоотводящую скважины с герметизацией участка гидроразрыва пакерами 6. Обработку пласта начинают от нагнетательной скважины 1 и ведут ее по направлению к газоотводящей скважине 2. Рациональная длина интервала гидроразрыва по данным (С.А. Ярунин,А.С. Лукаш, В.В. Конарев. Опыт проведения гидродинамического воздействия на углепородный массив через скважину с горизонтальным окончанием ствола. Уголь, 7, 1990, с. 18-20) составляет 70-80 м. Одновременная закачка рабочей жидкости через вертикальные скважины приводит к повышению равномерности обработки пласта за счет взаимодействия встречных потоков жидкости и в конечном итоге к многократному повышению проницаемости угольных пластов за счет раскрытия природных и образования новых трещин 7. После гидроразрыва пластов извлекают внутренний став труб 3 из газоотводящей скважины 2 и приступают к газификации нижнего пласта свиты . После розжига огневого забоя 9 (фиг. 2) в канал газификации, представляющий собой горизонтальную скважину 5, нагнетают окислитель(кислородсодержащий газ) под давлением 2-3 МПа по внутреннему ставу 3 в нагнетательной скважине 1. При этом точка ввода дутья в пласт периодически перемещается за счет частичного извлечения внутреннего става 3. Генераторный газ при температуре 800-1000 С под давлением направляют по газоотводящей скважине 2 в обработанную зону вышележащего пласта(фиг. 1), в результате которого происходит освобождение фильтрационных каналов от жидкости гидроразрыва и прогрев пласта, приводящий к десорбции метана. Десорбировавшийся метан смешивается с генераторным газом, повышая его теплотворную способность, и газовая смесь поступает по межкольцевому зазору 10 в нагнетательной скважине в обработанную зону следующего пласта свиты . Аналогичным образом прогревают все вышележащие пласты свиты. Для обеспечения заданного направления движения горячих газов в нагнетательной и газоотводящей скважинах устанавливают заглушки 11. Далее смесь генераторного газа с десорбировавшимся метаном выдается по газоотводящей скважине 2 на поверхность, где используется в качестве горючего газа для выработки электрической и тепловой энергии на ТЭС. Кроме того, генераторный газ, протекая по межкольцевому зазору 10 нагнетательной скважины, обеспечивает нагрев кислородсодержащего дутья, что приводит к интенсификации окислительных процессов в подземном газогенераторе. Осуществление процесса газификации угля под давлением 2-3 МПа при постоянной температуре газифицируемой среды приводит к увеличению содержания метана, углекислого газа и паров воды и к заметному снижению потребления кислорода. Коэффициент перехода тепла из угля в газ за счет 1 м 3 кислорода почти удваивается по сравнению с таковым при атмосферном давлении. После завершения газификации нижнего пласта свиты осуществляют газификацию последующего пласта и т.д. в восходящем порядке. При таком порядке отработки свиты газоносных угольных происходит подработка вышележащих угольных 3 20171 пластов, что также способствует интенсификации метановыделения из угля и вмещающих пород. Для извлечения метана из вмещающих пород в них дополнительно бурят горизонтальные скважины из нагнетательных скважин ( на фиг. не показано). После окончания процесса подземной газификации угля в контуре выгазованного пространства угольного пласта образуется мощный источник тепловой энергии - обрушенные горные породы при температуре 800-1000 С. Для использования этой энергии в выгазованное пространство через вертикальные нагнетательную 1 и газоотводящую 2 скважины закачивают холодный теплоноситель(воду, воздух, инертный газ и др.). Проходя через обрушенные горячие породы, теплоноситель нагревается и аккумулирует в полости бывшего подземного газогенератора тепловую энергию,которую можно использовать в течение длительного(10-12 лет) времени. Использование предлагаемого технического решения, по сравнению с известным, обеспечивает повышение суммарной полноты извлечения энергии угля и угольного метана из угленосной толщи за счет существенного роста газоотдачи угольных пластов, глубокого равномерного прогрева обработанных зон генераторным газом, интенсифицирующего процесс десорбции угольного метана и повышающего качество термоподготовки пластов,извлечения метана из вмещающих пород через протяженные горизонтальные скважины, осуществления процесса газификации свиты угольных пластов в восходящем порядке под давлением 2-3 МПа и использования тепловой энергии, аккумулированной в выгазованном пространстве подземного газогенератора. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ подземной газификации свиты газоносных угольных пластов и добычи метаногазовой смеси, включающий бурение с поверхности на свиту угольных пластов вертикальных нагнетательной и газоотводящей скважин, бурение из них по всем пластам свиты наклонных и горизонтальных скважин с объединением их в единую газогидравлическую систему, оборудование нагнетательной скважины внутренним ставом труб, сооружение на нижнем пласте подземного газогенератора для получения горячих газов, подачу кислородсодержащего дутья по внутреннему ставу с периодическим перемещением точки воды дутья в пласт, направление генераторного газа для прогрева вышележащих угольных пластов, отличающийся тем, что по всем пластам свиты, кроме нижнего,осуществляют поинтервальный гидроразрыв по длине каждой горизонтальной скважины путем одновременной закачки рабочей жидкости через нагнетательную и газоотводящую скважины, а газификацию пластов свиты производят в восходящем порядке при давлении 2-3 МПа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для извлечения метана из вмещающих пород из вертикальных скважин дополнительно бурят горизонтальные скважины по газоносным породам. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для использования тепловой энергии, аккумулированной в выгазованном пространстве подземного газогенератора, через вертикальные нагнетательную и газоотводящую скважины нагнетают холодный теплоноситель.