+7 (499) 132-61-82

Дополнительные услуги

4-09-2015, 15:08
Направленное бурение для дегазации пластов и проведения разведки

до начала разработки месторождения.



Существенные достижения в направленном бурении за последние 20 лет привели к развитию технологии, которая способна предоставить угледобыче широкую гамму возможностей для дегазации пластов, обеспечить лучшую идентификацию и понимание горно-геологических условий до начала разработки месторождения. На смену характерному для 70-х годов прошлого века роторному бурению с контролем отклонения, системой с разведочной камерой одноразового действия и стабилизаторами контроля угла падения пласта в 90-х годах пришли системы, дающие возможность проведения измерений внутри скважины в ходе ведения буровых работ, оснащенные оборудованием с высоким давлением на долото, мощными буровыми насосами и высокопрочными трубами. Операторы успешно совместили эти системы с гидравлическим разрывом для увеличения связности ствола скважины в угольных залежах с малой проницаемостью для обеспечения дренирования метана и снятия напряжения с массивов кровли до начала разработки месторождения лавами.

В настоящей статье рассмотрены последние достижения в системах направленного бурения и проанализированы варианты их применения, включая пластовое дренирование метана, дренирование газа из выработанного пространства, извлечение метана в коммерческих целях, обнаружение заброшенных угольных выработок, определение нарушений сплошности до начала разработки месторождения, определение характеристик угля, кровли выработки и почвы, снятия напряжения. Установки направленного бурения, описанные в статье, применяются компанией Biotop UK – дочерней структуры базовой фирмы Valley Longwall Drillind Systems International Pty.(VLD), расположенной в г.Сидней, Австралия. Упомянутая компания является лидером в области направленного бурения в угольной отрасли за год бурят более 183 тыс. м скважин.

Последние достижения в оборудовании систем направленного бурения
Последние достижения в системах аттестованного шахтного направленного бурения существенно увеличили скорость бурения, глубину и точность расположения скважин. Эти достижения позволили сократить затраты на проведение направленного бурения и расширили возможность использования этого метода в угольной промышленности.

Совершенно очевидно, что разработка аттестованных устройств, которые способны предоставить бурильщику информацию высокой степени точности о расположении забоя скважины и направления бурения привели к хорошему результату. Первый пример здесь это DDM MECCA - электронная бурильная навигационная система, выпускаемая компанией Advanced Mining Technologies Pty. Limited Wyong, штат Новый Южный Уэльс. DDM MECCA, оснащенная трехосными геометрическими датчиками, расположенными за скважинным мотором, он посылает разведочную информацию наверх вдоль буровой стали с высокой скоростью передачи через модульный кабель к расположенной наверху системе управления.

DDM MECCA существенно экономит время на разведку по сравнению с однодробными скважинными системами (сигнал одиночного замера направляется вниз по буровой стали и затем возвращается и расшифровывается). В зависимости от глубины скважины процесс прохождения сигнала может занимать до 45 минут. «Больше не надо терять время на расшифровку, а можно полностью сосредоточиться на бурении», - говорит Управляющий директор Valley Drilling Даррелл фон Станке о преимуществах DDM MECCA. С DDM MECCA Valley Drilling установила мировой рекорд направленного бурения, равняющийся 512 м за смену, а общая глубина проходки компании достигли 183 тыс. м в год. Обычные нормы направленного бурения составляют в районе 130 метров за смену в зависимости от условий. Точность направленного бурения у операторов с однодробным инструментом, как правило, составляет  1 градус по азимуту и  0,5 градуса по углу наклона. С помощью DDM MECCA операторы достигли точности в  0,5 градуса по азимуту и  0,2 градуса по углу наклона. Если перенести эти данные на план, то они будут соответствовать показателю лучше чем  8,7 м на 1 000 м.

Фото 1. Прибор DDM MECCA( версия 1) для устья скважины производства компании AMT , Австралия

Последние достижения в придании подвижности и гибкости модульному кабелю, вмонтированному в буровой штанге для работы с DDM MECCA, сократили гидравлические потери. В паре с встроенной высокой производительности кабельной системой телеметрии позволяет бурить направленные скважины даже большей глубины.

Оребренные центраторы здесь держат и изолируют провода в бурильных штангах и сокращают потери давления жидкостной среды примерно на 30 процентов по сравнению с применявшимися ранее моделями одиночных центраторов. Эта передовая горная технология повышенного давления жидкостной среды в скважине обеспечивает работу мотора на больших глубинах. Типовые скважинные моторы требуют от 3 до 5 л/сек буровой жидкости под давлением от 2 до 3 МПа при максимальном крутящем моменте (до 400 Нм).

Новая высокопроизводительная система бурильных труб со встроенным кабелем для передачи телеметрических данных производства компании VLD с реверсивной боковой резьбой обеспечивает гораздо большую прочность без изменения габаритов или веса штанги по сравнению с обычной системой передачи телеметрических данных. Изделие RT компании Boart имеет номинальные характеристики, превышающие обычную систему со встроенным кабелем на 90 процентов. На рис. 2 показаны системы DDM MECCA, вставленные в высокопроизводительные буровые штанги для бурения со съемным керноподъемником компании «VLDrilling». Эта штанги позволяет бурить скважины на глубинах боле 1 500 м.

Применение систем направленного бурения для извлечения внутришахтного метана

Достижения в технологии систем направленного бурения обеспечивают новые широкие возможности дренирования метана из горных выработках. Длинные, точно идущие скважины в пластах в состоянии эффективно снизить содержание газа в больших объемах угля до начала разработки месторождения с низкой и высокой проницаемостью углей. Обладая возможностями глубинного бурения, бурильщики могут эффективно дренировать метан из угля в шахте или на уровень выше или ниже ее.


Фото 2. Буровая штанга компании Valley Drilling со вставленной в нее системой DDM MECCA.
На рис. 3 графически показано уменьшение содержания газа в естественном залегании (с 11,5 до 7,5 куб.м/т в среднем), достигнутое 500-метровыми скважинами в пласт угля с низкой проницаемостью (0,2 миллидарси) через два года, как это прогнозировалось в ходе моделирования продуктивного пласта. Компания «VLD» эффективно пользуется методом моделирования продуктивного пласта для определения расстояния между скважинами и времени на дегазификацию для специфических геологических и пластовых условий.

Надписи на рисунке:
Левая - пластовое содержание газа (стандартный куб. см/куб.см)
Средняя - Расстояние до скважины по ширине (м)
Правая - Расстояние до скважины по длине (м)


Рисунок 3. Графическое изображение уменьшения содержания газа в естественном залегании, достигнутое 500-метровыми скважинами в пласт угля с низкой проницаемостью

В местах, где применение вертикальных скважин в выработанное пространство невозможно, и при многоуровневом горном производстве, где перекрестная технология отбора газа или технология отбора газа из вышерасположенных выработанных пространств неэффективна или слишком затратна, буровики могут проделывать горизонтальные скважины по будущими лавами. Таким образом создаются раковины низкого давления, которые могут затягивать выработанный газ, поступающих из верхних слоев.

Другие варианты дренирования метана представлены целевыми скважинами для дренирования закупоренных площадей, сдвинувшихся пород и щелей до начала разработки месторождения, а также расположенных ниже или выше газодинамических формаций, таких как песчаники.

Соображения
Как и в отношении любого другого метода дегазификации, инженеры должны определить, применимо ли направленное бурение к данной системе угледобычи, учтя все геологические условия и условия продуктивного пласта, а также вопросы материально-технического обеспечения.

Разработка лавами оказывает существенное воздействие на ниже- и вышепролегающие пласты, нарушая вертикальные барьеры проницаемости, которые отделяют газодинамические формации от горных выработок. Системы извлечения газа из выработанных пространств как нельзя лучше подходят для подобных условий.

Конструктивные решения дренирования газа выработанных пространств учитывают распределение напряжения в выработанном пространстве, расстояние до газодинамических пластов, их геомеханические характеристики и то, как разработка лавами влияет на пласты, включая системы вентилирования выработанных пространств. Геомеханические характеристики литологий, включая угольные пласты, важны для оценки буримости и устойчивости скважины. Частота и тип геологических нарушений сплошности, включая направление напряжения, влияют на устойчивость скважины и диктуют анизотропию проницаемости. Зная эти условия, проектировщики могут планировать размещение скважин и их направление для максимизации дренирования метана. Содержание газа в естественном залегании, естественный разлом, кливажная проницаемость и показатели десорбции определяют время, необходимое для дренирования пласта и расчета расстояний между скважинами. Размер входов, наличие водо- и энергоснабжения и график освоения месторождения – все влияет на определение места ведения буровых работ в районе работающей угольной шахты.

Ниже описаны примеры применения направленного бурения для дренирования метана.

Защитный штрековый затвор в Мексике
Скважины внутрь пласта оказали существенное воздействие на устройство защитных штрековых затворов до начала разработки лавного месторождения компании Minerales Monclova S.A. в штате Коахиула на севере Мексики. Из-за высокого уровня кливажной проницаемости и наличия естественных разломов (более 30 миллидарси по измерениям продуктивного пласта компанией BG) скважины внутрь пласта быстро подавили активность штрековых затворов в части выбросов метана и позволили существенно увеличить добычу угля. Это иллюстрирует график 4, на котором показаны выбросы метана и поперечная скорость подвигания во время разработки 3 западных штрековых затворов до и после того, как компания BG пробурила 884-метровую скважину внутрь пласта. Цифры указывают на то, что после бурения скважины выбросы метана в штрековые затворы сократились на 30 процентов за два месяца, что позволило компании MIMOSA снизить потребность в вентилировании на столько же и ускорить темпы освоения месторождения на 78 процентов.

По словам горного инженера компании Minerales Monclova Хосе Рубена Понче, «без программы внутрипластовой дегазификации нам бы никогда не выйти на плановые объемы добычи угля». С 1992 года компания BG произвела бурение направленных скважин на четырех из пяти лавных выработках компании Minerales Monclova общей длиной более 26 000 м.

Выбросы метана, потребность в вентилировании и скорость продвигания до и после дегазификации 2 западных входных затворов, шахта № 1

Надписи на графике:
Левая вертикальная - Выбросы метана/вентилирование/скорость подвигания
Слева вверху - Скорость подвигания (десятки метров в месяц)
Выбросы метана (тыс. куб.м в день)
Воздухопоток (куб.м в сек)
В центре ниже – 500-метровая скважина в продуктивный пласт
Под графиком:

Октябрь Ноябрь Декабрь Январь Февраль Март Апрель Май Июнь

Месяцы 1994 года
График 4. Выбросы метана и скорость подвигания на 2 западных штрековых затворов до и после бурения защитной скважины дренирования метана на одной из шахт компании Minerales Monclova на севере Мексики.

Горизонтальные скважины выработанного пространства для глубоких многоуровневых шахт в Восточной Европе

На некоторых шахтах угольного бассейна Верхней Силезии в Польше и Чешской Республике добыча угля ведется на больших глубинах (более 600 м) с использованием многоуровневой лавной технологии. Во многих случаях добываются угли с высоком содержанием газа в естественном залегании (больше 12 куб.м/т) и низкой проницаемостью (от 0,1 до 1 миллидарси). Из-за присутствия расположенных выше и ниже газодинамических пластов эти шахты сталкиваются с высоким уровнем выбросов метана во время лавной добычи. На многих шахтах применяется простирающиеся вкрест скважины, но на более глубоком уровне, где содержание газа выше, бурятся многочисленные скважины выработанного пространства, которые иногда проходят через тонкие угольные пласты или камень. В этом случае и там, где для дренирования метана проделываются специальные галереи, направленное бурение может обеспечить более эффективный, с точки зрения затрат, способ решения проблем. Бурильщики направленных скважин могут проделывать их горизонтально до начала лавной разработки над угольными пластами от уровня производства добычи. Эти скважинные целевые зоны располагаются под ближайшим газовым пластом и в зоне разлома, над штыбной зоной выработанного пространства. Эта система была впервые применена в Японии, испытана BG на шахте Cambria 33 в Пенсильвании, как это показано на схеме 5, и применялась в программе ООН по развитию теплиц, а также на шахтах Китая. Проведенные BG испытания в США показали, что эта система может оказаться значительно более эффективной, чем при устройстве простирающихся вкрест скважин.

Извлечение качественного трубопроводного газа для коммерческих целей на шахте Soldier Canyon

Компания «BG» в течение 10 лет с успехом применяла технологию направленного бурения для коммерческого извлечения газа из угольного пласта на шахте Soldier Canyon близь городка Прайс в Юте. На этой шахте с камерно-столбовой системой разработки BG пробурила 150 тыс. м скважин на двух пластах. Измеренное содержание газа в естественном залегании составило более 7 куб.м/т, а замеры проницаемости указали на наличие плотного кливажа и системы естественных разломов (проницаемость ниже 0,5 миллидарси). Поскольку на шахте велась камерно-столбовая система разработки, на ней имелся затрудненный доступ к целику угля, который можно было бы в значительной части дренировать до начала разработки.

ШАХТА CAMBRIA 33
ВОСТОЧНАЯ ЛАВА 8 ЛЕВАЯ Е
Значение надписей на схеме:
Vertical borehole – Вертикальная скважина
Pipeline – Трубопровод
Conemaugh – название реки
River – река
Elevation vs lw horizontal position – Подъем относительно нижнего горизонтального положения
Elevation – Подъем
Horizontal distance – Расстояние по горизонтали
Boreholes - Скважины


ШАХТА CAMBRIA 33

ВОСТОЧНАЯ ЛАВА 9 ЛЕВАЯ D
Схема 5. Горизонтальные скважины, примененные компанией «BG» на шахте Cambria 33 (размеры показаны в ед. изм. США)
Эффективное уменьшение содержание газа (до 60 процентов) в естественном залегании было получено за счет бурения скважин за 3 года до начала разработок. В ходе этой операции BG извлекала от 30 до 40 тыс. куб.м качественного трубопроводного газа в сутки и направляла его на коммерческие цели, закачивая его после минимальной переработки в ближайший газопровод. На фото 6 показано отделение воды в устье скважины после бурения и система мониторинга и безопасности, примененной BG на каждой скважине. Разветвленная сеть подземных трубопроводов со встроенной системой безопасности собирала газ для подачи его на поверхность через вертикальные колодцы, соединенные с установленным на поверхности роторным винтовым компрессором.


Фото 6. Отделение воды после бурения и система мониторинга и безопасности, примененные компанией BG на скважинах шахты Soldier Canyon
Применение систем направленного бурения для проведения разведки до начала разработки месторождения

Возможность выбирать направление и бурить скважины на большом расстоянии друг от друга с высокой точностью делают направленное бурение незаменимым для проведения разведки угольных месторождений. Ниже описаны некоторые инновационные решения по направленному бурению, примененные компаниями «BG» и «Valley» на ряде угольных месторождений.

Уточнение расположения заброшенных выработок на угольных шахтах востока США

Угольные бассейны, которые подвергались интенсивному освоению, такие как Аппалачский угольный бассейн в США, не располагают полными архивными данными, поэтому порой оказывается невозможным определить точное местонахождение старых выработок. В этом бассейне активно велась шнекобуровая выемка или вскрытие месторождения штольней из выходящих на поверхность пород, поэтому при современных методах добычи требуется уточнить расположение старых выработок, которые, скорее всего, заполнены водой. Правила Администрации по безопасности горных работ США

АБГР) требуют, чтобы при создании новых шахт рядом со старыми бурить частые скважины, чтобы убедиться, что новые выработки ведутся на необходимом расстоянии от старых. Вместо того чтобы прокладывать штреки и потом определять расстояние, шахта «Хатчисон Бранч» в Западной Виржинии заключила контракт с BG на направленное бурение между проектируемыми штреками и заброшенными выработками. Для повышения точности работ BG пробурила тангенциальные ветви в проектируемые штреки для последующего их улавливания в ходе горных работ.

BG не обнаружила ни одной старой выработки в коридоре между выработками, а последующие горные работы подтвердили точность расположения скважин в 2,4 м на расстоянии 353 м.

Определение структуры пласта и нарушения сплошности физическим путем до начала горных работ

Согласно определению, внутрипластовое дренирование метана и разведочное бурение требует, чтобы скважина находилась в пласте. Используя наклонное положение для управления процессом, буровой мастер периодически фиксирует верхний и нижний края пласта, чтобы уточнить его положение. Вычерчивание профиля скважины на основе данных каротажа и бурового журнала обеспечивает горные работы структурой угольного пласта.

Любые нарушения сплошности, замеченные в ходе бурения, такие как сдвиги пород, палеоканалы, интрузии и т.п., определяются в ходе мониторинга давления буровой жидкости, изменениями давления на долото, вибрацией, темпами проходки и выбуренной породой. В силу высокой точности расположения, достигаемой с помощью DDM DECCA, особенно в отношении профиля, направленным бурением можно определить толщину угольных пластов и обычных нарушений сплошности из-за сдвига породы с допустимой точностью. За счет физического контакта с кровлей и почвой пласта и использования изображений скважины направленным бурением обычно можно определить толщину угольного пласта в зависимости от условий в пределах от 0,2 до 2,5 м. На схеме 7 показан профиль угольного пласта, полученный в результате разведочного бурения скважин компанией «Valley» на шахте «Каменноугольные копи Миуна» в штате Новый Южный Уэльс в Австралии. Определение кровельной литологии являлось важной составляющей проекта. Различие между потолочным конгломератом и туфогенным аргиллитом было определено буровыми мастерами компании «Valley» и использовано для будущего планирования угольной шахты.

Надпись в правом нижнем углу схемы:
Каменноугольные копи Миуна - 520 панель
Скважина GN1 Профиль пласта
Рис. 3
Надписи не схеме нечитаемы - прим. перев.


Схема 7. Структура угольного пласта, определенная направленным бурением до начала горных работ

Керновое бурение и геофизические исследования в скважинах, пробуренных направленно в подводных шахтах корпорации «Кейп Бретон Девелопмент»(КБД) в Канаде

В настоящее время BG участвует в разведочной программе корпорации «КБД» на двух шахтах под Атлантическим океаном в провинции Новая Шотландия в Канаде. Проектом предусмотрено проведение направленного бурения до начала лавной разработки для определения кровельной литологии и толщины пласта. Геологи шахты сопоставили устойчивость кровли и условий горного удара с непосредственной структурой кровли. Программа предусматривает бурение многочисленных тангенциальных скважин от внутренней части пласта вверх в кровлю и вниз в почву.

Инновационная система BG Motorcore ведет поиск целого угля и потолочных кернов длиной до 3 м от направленно пробуренных скважин для геологического обследования. На фото 8 показан керн, обнаруженный от контактов с кровлей угля на расстоянии до 400 м до начала горных работ.

В альянсе с фирмой «LGI-Colog Inc. a Golden» из штата Колорадо, США, специализирующейся на геологическом бурении, BG недавно освоила модифицированную систему естественного гамма каротажа через свои буровые штанги на шахтах корпорации «КБД» для сопоставления гамма реакции с данными бурового журнала и кернами. По словам геолога объекта Стива Форджерона, «система работала отлично; гамма каротаж должен минимизировать количество направленных отборов керна, которые нам понадобится сделать в будущем с помощью горизонтальных скважин». К настоящему времени программа внутрипластовой направленной разведки бурением обеспечила бесценную информацию до начала горных работ при значительно более низких затратах по сравнению с программой вертикального бурения с баржи.


Фото 8. Керны угля и контакт с потолком, извлеченные BG до начала горных работ на шахтах корпорации «КБД» в штате Новая Шотландия, Канада

Использование проникающего сквозь землю радара для характеристики структуры до начала горных работ

BG и LGI-Colog Inc. экспериментировали с проникающим сквозь землю радаром для создания образа структуры пласта угля и нарушения сплошности до начала горных работ через пробуренные направленные скважины. К настоящему времени указанные предприятия с успехом создали изображение картины в направленных скважинах, пробуренных в угольном пласте на длине 120 м с использованием неаттестованного оборудования, на которое имелось отдельное разрешение. Данные эксперимента показывают, что проникающий сквозь землю радар в состоянии определить толщину угольного пласта с точностью между 0,05 и 0,075 м для 3-метрового пласта. Продолжаются усилия по созданию прибора для определения качества угля на основе геофизического инструмента и прибора по формированию и обработке изображений.

Скважины направленного бурения, вызывающие гидравлический разрыв пласта

Используя показанный на фото 9 сдвоенный пакер, BG производит разрыв пласта в скважинах направленного бурения для увеличения связности ствола скважины с естественными разрывами и кливажем для дренирования метана в плотных угольных пластах. BG также с успехом применила этот метод на американской шахте «Линч 37» в штате Кентукки для разрыва массивного потолка из песчаника до начала лавной добычи. Другие потенциальные сферы применения включают уменьшение напряжения пласта до начала горных работ и снижение требований к измельчению и зарубки в твердых углях.

Фото 9. Сдвоенный пакер, примененный BG для гидравлического разрыва скважин направленного бурения на шахте Soldier Canyon

Выводы
При использовании самых современных технологий направленное бурение обеспечивает угледобывающей промышленности эффективные и практичные методы дренирования метана и проведения разведки до начала горных работ. Опыт работы компаний «BG» и «Valley» в Северной Америке и Австралии подтвердил преимущества этой технологии для контроля над шахтным газом, возможности использования шахтного метана в коммерческих целях и при планировании шахт.

Система измерения и формирования и обработки изображений, которая может также предоставлять информацию о качестве угля в ходе ведения буровых работ, в дальнейшем еще больше увеличит значение направленного бурения для угледобывающей отрасли во всем мире. Авторы в настоящее время продолжают усилия в направлении создании подобной системы.