Условия применение пневмогидродинамического воздействия для раскольматации поверхностных дегазационных скважин
У роботі розглянуті умови виникнення кольматації при експлуатації поверхневих дегазаційних свердловин та використання пневмогідродинамічної (пневмодинамічної) дії для розкольматації присвердловиної зони. Представлені результати виконаної дії в шахтних умовах....
Збережено в:
| Дата: | 2011 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2011
|
| Назва видання: | Геотехническая механика |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33590 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Условия применение пневмогидродинамического воздействия для раскольматации поверхностных дегазационных скважин / Р.А. Агаев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 95. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-33590 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-335902012-05-29T13:00:15Z Условия применение пневмогидродинамического воздействия для раскольматации поверхностных дегазационных скважин Агаев, Р.А. У роботі розглянуті умови виникнення кольматації при експлуатації поверхневих дегазаційних свердловин та використання пневмогідродинамічної (пневмодинамічної) дії для розкольматації присвердловиної зони. Представлені результати виконаної дії в шахтних умовах. Conditions of originating of clogging process at exploitation of surface methane drainage boreholes and application of pneumohydrodynamic (pneumodynamic) influence for decklogging of downhole zone are reviewed in the article. The results of influence are introduced in mine conditions. 2011 Article Условия применение пневмогидродинамического воздействия для раскольматации поверхностных дегазационных скважин / Р.А. Агаев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 95. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33590 622.324.5:622.831.325.3.016.25:532.5.013:621.5 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
У роботі розглянуті умови виникнення кольматації при експлуатації поверхневих дегазаційних свердловин та використання пневмогідродинамічної (пневмодинамічної) дії для
розкольматації присвердловиної зони. Представлені результати виконаної дії в шахтних
умовах. |
| format |
Article |
| author |
Агаев, Р.А. |
| spellingShingle |
Агаев, Р.А. Условия применение пневмогидродинамического воздействия для раскольматации поверхностных дегазационных скважин Геотехническая механика |
| author_facet |
Агаев, Р.А. |
| author_sort |
Агаев, Р.А. |
| title |
Условия применение пневмогидродинамического воздействия для раскольматации поверхностных дегазационных скважин |
| title_short |
Условия применение пневмогидродинамического воздействия для раскольматации поверхностных дегазационных скважин |
| title_full |
Условия применение пневмогидродинамического воздействия для раскольматации поверхностных дегазационных скважин |
| title_fullStr |
Условия применение пневмогидродинамического воздействия для раскольматации поверхностных дегазационных скважин |
| title_full_unstemmed |
Условия применение пневмогидродинамического воздействия для раскольматации поверхностных дегазационных скважин |
| title_sort |
условия применение пневмогидродинамического воздействия для раскольматации поверхностных дегазационных скважин |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2011 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/33590 |
| citation_txt |
Условия применение пневмогидродинамического воздействия для раскольматации поверхностных дегазационных скважин / Р.А. Агаев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2011. — Вип. 95. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT agaevra usloviâprimeneniepnevmogidrodinamičeskogovozdejstviâdlâraskolʹmataciipoverhnostnyhdegazacionnyhskvažin |
| first_indexed |
2025-07-03T14:16:37Z |
| last_indexed |
2025-07-03T14:16:37Z |
| _version_ |
1836635597925515264 |
| fulltext |
УДК 622.324.5:622.831.325.3.016.25:532.5.013:621.5
Р.А. Агаев, вед. инж
(ИГТМ)
УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЕ ПНЕВМОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ РАСКОЛЬМАТАЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ
ДЕГАЗАЦИОННЫХ СКВАЖИН
У роботі розглянуті умови виникнення кольматації при експлуатації поверхневих дега-
заційних свердловин та використання пневмогідродинамічної (пневмодинамічної) дії для
розкольматації присвердловиної зони. Представлені результати виконаної дії в шахтних
умовах.
CONDITIONS OF APPLICATION OF PNEUMOHYDRODYNAMIC
INFLUENCE FOR DECLOGGING OF SURFACE
METHANE DRAINAGE BOREHOLES
Conditions of originating of clogging process at exploitation of surface methane drainage bo-
reholes and application of pneumohydrodynamic (pneumodynamic) influence for decklogging of
downhole zone are reviewed in the article. The results of influence are introduced in mine condi-
tions.
Одними из средств добычи метана угольных месторождений являются по-
верхностные дегазационные скважины (ПДС), пробуренные на подрабаты-
ваемый массив. При этом процессы кольматации каналов (пор, трещин), по
которым осуществляется миграция газа вскрытых газоносных горизонтов к
стволу ПДС, оказывают существенное влияние на газовыделение из скважи-
ны.
Под понятием «кольматация» следует подразумевать совокупность про-
цессов, протекающие в горном массиве в окрестности ПДС, и возникают в
подработанной толще. Это в итоге приводит к закупорке техногенных и есте-
ственных трещин и пор скважин, а следовательно, к прекращению функцио-
нирования ПДС и ее изоляции от недегазируемой части массива.
Рассмотрим процессы кольматации при наличии начального газовыделе-
ния из работающей скважины. По механизму возникновения и характеру про-
текания эксплуатационный кольматаж можно подразделить на четыре вида:
эволюционно-барический, структурно-динамический, гравитационно-
уплотнительный и запорно-гидравлический.
При эволюционно-барическом кольматаже сам процесс кольматации про-
исходит за счѐт разности между пластовым давлением газа и его давлением в
призабойной части ПДС. В начальный период работы газоносного горизонта
в неуправляемом режиме, т.е. при нулевом давлении на устье, эта разность
имеет максимальное значение в призабойной части ПДС, что вызывает пере-
мещение газа по газосборным трещинам и открытым порам к скважине. При
достижении определѐнных соотношений между мощностью газового потока
и механической прочностью ослабленных подработкой пород коллектора
происходит частичное его разрушение и вынос структурных осколков кол-
лектора в ствол ПДС. В период работы скважины (при установившейся или
очень мало изменяющейся величине газового потока) образование и вынос
этого типа кольматажного материала в ПДС идѐт равномерно и без накопле-
ния его в газосборных трещинах дегазируемого слоя. Практически весь этот
материал поступает в нижнюю часть ПДС и далее в трещины, соединяющие
еѐ с выработанным пространством подрабатывающей лавы. Этот процесс
может приводить к полной изоляции ПДС, так как фильтрационный объем
скважины не соединен с фильтрационным объемом выработанного простран-
ства. В результате имеем процесс отложения углепородного штыба, что при-
водит к полной изоляции ПДС.
Структурно-динамический кольматаж ПДС происходит параллельно с ос-
новным периодом эволюционно-барического кольматажа краткосрочными
этапами с негативными последствиями. Кольматажный материал образуется в
процессе скоротечного (по газодинамическому типу) разрушения на струк-
турном уровне отдельных напряженных слоѐв (или их частей) выбросоопас-
ных песчаников, угольных пластов и углистых пропластков, обладающих не-
обходимым сочетанием физико-механических свойств в комплексе с горно-
техническими условиями и структурно-тектоническим их положением в раз-
резе подработанной толщи. В общем случае такие сочетания являются необ-
ходимым и достаточным условием для развязывания газодинамических явле-
ний, наблюдаемых на контуре горной выработки в неразгруженном массиве.
Такой процесс может происходить только при наличии в прочных слоях дос-
таточно длительной и значительной концентрации напряжений горного дав-
ления и условий для последующего их скачкообразного перераспределения.
Такое сочетание различных геологических и горнотехнических условий
может иметь место в подработанной толще пород с очень контрастно выра-
женной анизотропией физико-механических свойств, обусловленной частым
чередованием мощных крепких слоѐв песчаников («мостов») с пластичными
и слабыми аргиллитами или с хрупкими и слабыми угольными слоями и про-
пластками. Последние должны находиться в зоне их прямого влияния или
даже непосредственного контакта. В таких условиях оседание пластичных и
слабых слоѐв происходит плавно, без задержек, а на «мостах» мощных и
крепких песчаников концентрируются большие напряжения, значительно
превосходящие в определѐнных ситуациях нормальные для этих глубин зна-
чения. Такие напряжения могут превышать пределы прочности даже крепких
песчаников. Скоротечное образование в таком «мосте» субпослойной полос-
ти, смежной с выбросоопасной пачкой, сопоставимо с эффектом внезапного
обнажения напряженной поверхности массива и с высоким уровнем высво-
бождающейся энергии, вызываемого сотрясательным взрыванием.
Описанный механизм образования мелкодисперсного кольматационного
материала в окрестности подработанной ПДС подтверждается характером
наблюдающихся на глубоких горизонтах шахты явлениями структурно-
динамических разрушений напряженных слоѐв песчаников в зонах влияния
подготовительных и очистных выработок. Такой тип образования кольма-
тажного материала может давать большое его количество и приводить к бы-
строму выходу из строя ПДС.
Параллельно с этими процессами, сразу после подработки ПДС начинает-
ся гравитационно-уплотнительный кольматаж, т.е. процессы закрытия и уп-
лотнения техногенной и естественной трещиноватости. Их интенсивность и
скорость зависят от физико-механических характеристик слоѐв пород угле-
носной толщи и положения ПДС относительно главных осей мульды сдвиже-
ния, подработавшей еѐ лавы. Этот вид кольматажа ускоряет и описанные вы-
ше другие виды закупоривания полостей, трещин и пор. Особенно сущест-
венным он является для горизонтов подработанной толщи, имеющих отрица-
тельные значения техногенной кривизны, где наиболее интенсивно и быстро
развиваются зоны восстановленного горного давления. Его влияние заключа-
ется в формировании вокруг ПДС, как у любой горной выработки, зоны по-
вышенного горного давления. Размеры еѐ в плане незначительны, но вполне
достаточны для того, чтобы совместно с другими кольматажными процесса-
ми практически полностью закупорить ПДС и осложнить еѐ ввод в эксплуа-
тацию после ремонтно-восстановительных работ. Главным результатом этого
процесса является уплотнение углисто-глинистого штыба, занесѐнного в тре-
щины окрестности ПДС, до степени их гидравлической непроницаемости
вначале в нижней, призабойной части ПДС, а потом и на более высоких гори-
зонтах. Завершением гравитационно-уплотнительного кольматажа можно
считать начало подъѐма уровня воды в ПДС.
После завершения гравитационно-уплотнительного кольматажа начинает-
ся запорно-гидравлический кольматаж. Подъѐм уровня воды в стволе ПДС
приводит к увеличению на забой и стенки ПДС гидростатической нагрузки,
вследствие чего наименее плотно закольматированные участки трещин, ка-
верн, крупных пор начинают фильтровать поток воды, загрязнѐнной углепо-
родным штыбом, в массив. Оседая в этих каналах, штыб закупоривает остав-
шуюся пустотность подработанного массива и непрерывно уплотняется за
счѐт гидростатического давления. При этом со временем скорость фильтра-
ции снижается и происходит новый подъѐм уровня воды с одновременным
перемещением запорно-гидравлического кольматажа вверх по разрезу. Кроме
того, в нижней части он продолжается, хотя и меньшими темпами, но с коль-
матацией массива более тонким материалом, в зависимости от гидростатиче-
ского давления и скорости фильтрации. Параллельно происходящий гравита-
ционно-уплотнительный кольматаж способствует образованию гидроупор-
ных свойств подработанного массива. Описанный механизм и последователь-
ность перемещения вверх по стволу ПДС запорно-гидравлического кольма-
тажа с изменением кольматажного материала от грубозернистого к мелкозер-
нистому и пылеобразному позволяют сделать вывод о том, что гидроупорные
свойства подработанного массива в окрестности заглохшей скважины наибо-
лее сильно выражены в самой нижней еѐ части, непосредственно примыкаю-
щей к выработанному пространству[1].
Таким образом, в призабойной и примыкающей к ней нижней частях ПДС
формируется максимальная плотность кольматажного материала.
Рассмотрим их на схеме рабочего интервала ПДС, типичной для условий
угольного пласта m3 ПАО «Шахта имени А.Ф. Засядько» (рис. 1).
Во-первых, одной из причин кольматации является давление столба жид-
кости, заполняющей ПДС, запирающего газ в порах и трещинах газоносных
или водо-газоносных горизонтов. Если есть наличие в разрезе водоносного
или водо-газоносного горизонта этот фактор становится постоянно дейст-
вующим и весьма часто непреодолимым препятствием процессу дегазации
вмещающих пород и угольных пластов.
Так, например, для газоносных песчаников в условиях
ПАО «Шахта имени А.Ф. Засядько» характерно заполнение открытой порис-
тости водой с растворѐнным в ней газом на 60-75%. Вследствие этого после
разгрузки эти песчаники отдают газ только совместно с водой, т.е. работают
по типу водо-газоносного горизонта. И, если дренирующие возможности де-
газируемой толщи меньше среднего притока воды в ствол ПДС, последний
начинает подтапливаться. Процесс газоотдачи вначале снижается, а затем
полностью прекращается.
Второй важной причиной кольматации является закупоривание пор и
трещин в окрестности ПДС углисто-глинистыми частицами, источниками ко-
торых являются угли, углисто-глинистые сланцы, а также аргиллиты и алев-
ролиты, разрушаемые в процессе их бурения и эксплуатации. Процесс идѐт за
счѐт фильтрации глинистого раствора в зонах поглощения, если он применя-
ется в процессе бурения или при целенаправленной цементации трещинова-
тых и неустойчивых продуктивных интервалов для их сохранения как экс-
плуатационных объектов. Заметим, что слой 7 (рис. 1) ограничен тонким (до 1
см) слоем слюдистого алевролита 8, а полость 9 скоротечного (газодинамиче-
ского) разрушения образуется по контакту грубозернистого выбросоопасного
песчаника на границе с пачкой мелкозернистого невыбросоопасного песчани-
ка, отделенного тонким (1-2 см) прослоем алевролита 8, т.е. в условиях, когда
интенсивность разрушения песчаника максимальная - до песка.
Таким образом, результатом разрушения песчаника является образование
кольматажного материала, выносимого в ствол ПДС. Кроме того, образова-
ние полости 5 является причиной скоротечного разрушения угольного про-
пластка по типу газодинамического явления и выноса в ствол ПДС кольмата-
ционного материала. Угленосные пробки кольматажного материала разбури-
ваются в процессе традиционной прочистки ПДС.
Эксплуатационная кольматация идѐт обычно достаточно интенсивно и яв-
ляется одной из главных причин преждевременного выхода ПДС из строя, т.е.
закупорка трещин и пор в процессе всего периода эксплуатации скважины за
счѐт выноса в еѐ ствол частичек скелетного материала коллектора. Подтвер-
ждение этого эффекта наблюдалось при выполнении ремонтно-
восстановительных работ [2].
1 — перфорированный интервал ствола ПДС; 2 - закольматированная часть толщи в
ПДС; 3 - угольный пласт или углистый прослой; 4 -мощный слой («мост») газоносного
песчаника, расчлененный на разнозернистые пачки; 5 - полость расслоения под угольным
пропластком, расположе-ным под «мостом» песчаника; 6 - пачка грубозернистого выбро-
соопасного песчаника; 7 - крепкий невыбросоопасный песчаник; 8 - тонкий (до 1 см) слой
слюдистого алевролита; 9- полость скоротечного (газодинамического) разрушения по кон-
такту грубозернистого, выбросоопасного песчаника на границе с пачкой мелкозернистого,
невыбросоопасного песчаника отделенного тонким прослоем алевролита; 10 - выработан-
ное пространство целевого разрабатываемого угольного пласта, подрабатывающего ПДС;
11 - граница, разделяющая водонасыщенную «а» (дегазированную) и газонасыщенную «б»
части угленосной толщи; 12 - угленосные «пробки» кольматажного материала, разбури-
ваемые в процессе прочистки ПДС; 13 - газонасыщенные части слоев, загерметизирован-
ные кольматационым материалом и оттесненные вглубь от ствола ПДС.
Рис. 1 - Схема развития процессов кольматажа угленосной толщи в окрестности ПДС в
процессе еѐ эксплуатации
Нижние половины скважин оказались заполненными плотными пробками
штыба углисто-глинистого и глинисто-углистого состава с плавными взаимо-
переходами в этом диапазоне. В результате чего постепенно или почти мгно-
венно прекращается газоотдача с последующим заполнением ПДС водой.
ИГТМ НАНУ совместно с ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько» был предло-
жен пневмогидродинамический (ПГДВ) способ по интенсификации добычи
метана угольных месторождений, в том числе как способ декольматации и
восстановления дебита ПДС.
Сущность способа заключается в следующем. С земной поверхности бу-
рится дегазационная скважина на угольный пласт с недобуриванием на рас-
стояние не менее 5 его мощностей. По всей длине скважина обсаживается ме-
таллическими трубами с тампонажем затрубного пространства. На участке
продуктивных горизонтов создается перфорация обсадных труб. ПДС запол-
няется водой на 30 м выше продуктивного горизонта. В скважину опускаются
насосно-компрессорные трубы (НКТ). Устье скважины оборудуется устрой-
ствами ПГДВ для управления процессом воздействия как через НКТ, так и
через межтрубное пространство (МТП). Компрессором создается в ПДС рас-
чѐтное давление и осуществляется 5-6-ти ступенчатый сброс давления возду-
ха во времени равном 10-18 мин, т.е. производятся знакопеременные нагрузки
на закольматированный фильтрационный объѐм. В результате этого, за счет
скорости обратной фильтрации жидкости происходит активный вынос коль-
матационных материалов из пор и трещин в ПДС, что способствует эффек-
тивному соединению прискважинного фильтрационного объѐма с фильтраци-
онным объѐмом подрабатываемого массива.
Следует отметить, что ПГДВ осуществляется на неподработанный горный
массив и в результате прохождения лавы, и, как следствие посадки основной
кровли, скважины могут быть отрезаны. Дебит таких скважин, как правило,
отсутствует или значительно падает. Возможность применения ПГДВ не
представляется возможным. Это связано с тем, что из-за нарушения целост-
ности призабойнного пространства скважины и затрубного пространства не-
возможно поддерживать необходимый уровень воды в ПДС и поэтому было
принято решение изменить технологию ПГДВ на пневмодинамическое воз-
действие (ПДВ).
Экспериментальные работы в промышленных условиях по ПДВ на пласт
m3 были проведены на ПДС 1186-Д (ЗД-1) и 1185-Д ПАО «Шахта
им. А.Ф. Засядько».
Скважина 1186-Д (ЗД-1) пробурена до 1280 м с углом наклона 90
0
. Работу
начала с 23.08.10 г со средним дебитом 3240 м
3
/сут. и была отключена от сис-
темы газопровода 11.10.10 г. в связи с пониженим дебита до 0, удаление забоя
скважины от забоя ПДС 110 м. После обрушения основной кровли и удале-
нии лавы от дегазационной скважины на 200 м при ее нулевом дебите на
11.10.10 было принято решение о проведении ПДВ. В скважину одновремен-
но нагнетался воздух в НКТ и в межтрубное пространство. Проведено 3 цикла
воздействия. В скважину нагнетался воздух до давления равного 5-7 МПа. В
результате установлено, что при первых циклах воздействия концентрация
метана составила 4-6%, а максимальное давление в затрубном пространстве
достигло 5,8 МПа. На вторые сутки ПДВ концентрация метана в скважине
достигла устойчивого значения равное 6%. На следующие сутки ПДВ кон-
центрация метана в скважине составила 100%, а 02.11.10 суточный дебит ме-
тана из скважины достиг 1,5 тыс м
3
. С 03.11.10 скважина была подключена к
системе газопроводов ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько» и на 01.08.11 г. газо-
выделение продолжается.
Скважина 1185-Д пробурена до 1356 м с углом наклона 90
0
. Работу начала
18.06.09 со средним дебитом 1715 м
3
/сут. и была отключена от системы газо-
провода 01.06.11 г. в связи с понижением дебита до 100 м
3
/сут. Было принято
решение о применении ПДВ. В скважину одновременно нагнетался воздух в
НКТ и в межтрубное пространство до 1,6 МПа. Затем, при достижении пока-
зания максимального давления производился резкий сброс с помощью уст-
ройства для гидродинамического воздействия. Аналогия операций проводи-
лась трижды. В результате воздействий среднесуточный дебит составил более
600 м
3
/сут. С 24.09.11 г скважина подключена к системе газопровода с давле-
нием 8 атм.
Анализ работы скважин 1185-Д и1186-Д (ЗД-1) свидетельствует, что при
применении ПДВ наблюдается восстановление газовыделения и, как следст-
вие, раскальматация призабойного пространства ПДС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Е.Л. Звягильский, И.А. Ефремов, В.В. Бобрышев, К.К. Софийский. К вопросу о кольматации поверх-
ностно-дегазационных скважин в процессе их эксплуатации. // Геотехническая механика: Межведомствен-
ный сборник научных трудов/ Ин-т геотехнической механики НАН Украины. Днепропетровск, 2004. – Вып.
49. – C. 17-22.
2. Е.Л. Звягильский, В.Г. Илющенко. Методика производства опытно-эксперементальных работ по
пневмогидроударному воздействию на подработанную (неподработанную) углегазоносную толщу пород,
вскрытую нисходящей дегазационной скважиной, с целью интесификации притока газа// Донецк, 2003.- 46 с.
|