Геомеханическое обоснование применения многозабойных горизонтальных скважин при добыче метана угольных пластов

Первая глава содержит аналитический обзор современного состояния
технологий извлечения МУП скважинами с поверхности.
Мировые ресурсы метана угольных пластов по современным оценкам
составляют в среднем порядка 200 трлн м 3. Лидерами по данному показате-
лю в порядке убывания являются РФ, КНР, Канада, США и Австралия.
В пределах Кузнецкого угольного бассейна РФ при ресурсах метана
в 13 трлн м3 в настоящее время ООО «Газпром добыча Кузнецк» реализует
совместный инновационный проект Администрации Кемеровской области
и ПАО «Газпром» по добыче МУП.
Значительный вклад в развитие теории и практики извлечения метана
из угольных пластов в России и за рубежом внесли: Айруни А.Т., Василь-
ев А.Н., Гергерт В.В., Гурьянов В.В., Дрижд Н.А., Зимаков Б.М., Золо-
тых С.С., Иванов В.В., Каркашадзе Г.Г., Козырева Е.Н., Коликов К.С., Ма-
лышев Ю.Н., Натура В.Г., Ножкин Н.В., Патутин А.В., Рубан А.Д., Сердю-
ков С.В., Сизиков Д.А., Сластунов С.В., Сторонский Н.М., Тайлаков О.В.,
Трубецкой К.Н., Хайдина М.П., Хрюкин В.Т., Хямяляйнен В.А., Швач-
ко Е.В., Шишляев В.В., Diamond W., Dugan T., Durucan S., Harpalani S.,
Mansoori J., McKee C., Oyler D., Palmer I., Seidle J., Schatzel S., Thakur P.,
Wang X., Yang L. и др.
Добыча метана угольных пластов осуществляется с использованием
скважин вертикального, наклонно-направленного и горизонтального профи-
лей. При этом, вертикальные и наклонно-направленные скважины имеют
относительно низкую стоимость, но не отличаются высокими дебитами. Для
увеличения площади дренирования и достижения более высоких показате-
лей добычи в мировой метаноугольной отрасли все чаще применяются гори-
зонтальные скважины с проходкой по угольным пластам.
Среди основных применяемых типов горизонтальных метаноугольных
скважин с проходкой по угольным пластам выделяются L-образные скважи-
ны с гидроразрывом пласта (ГРП), U-образные, V-образные, а также разно-
образные конфигурации многозабойных скважин. При этом, в различных
горно-геологических условиях скважины указанной конструкции не всегда
достигают проектных дебитов, что, зачастую, ставит под сомнение эконо-
мическую эффективность применяемых решений.
Основными критериями применимости горизонтальных метаноуголь-
ных скважин являются их конструкция, действующее в угольном пласте
НДС и проницаемость вскрытого угольного пласта. Существующие методи-
ки оценки применимости горизонтальных скважин для добычи МУП
не позволяют в полной мере учесть все три основных критерия, что делает
актуальным разработку методики, учитывающей их в комплексе.
По результатам анализа современного состояния изученности вопроса
сформулированы цель и задачи исследования.
Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию влияния геоме-
ханического состояния угольного пласта на его проницаемость вокруг гори-
зонтальных скважин различной конструкции.
Исследование НДС месторождений нефти или газа начинается, как пра-
вило, с построения одномерных (1D) геомеханических моделей, представ-
ляющих собой распределение главных напряжений в массиве горных пород
вдоль осей скважин. Основными составляющими 1D геомеханических мо-
делей являются геостатическое напряжение, а также минимальное и макси-
мальное горизонтальные напряжения, которые совместно характеризуют
тензор главных нормальных напряжений, действующих на элементарный
куб горной породы на определенной глубине по стволу скважины.
Геостатическое напряжение в исследуемой точке характеризует вес
вышележащих горных пород и вычисляется путем интегрирования плотно-
сти горных пород, слагающих исследуемый массив, по формуле:
i =n
 v = g   i hi ,
i =1
(1)
где σv – геостатическое напряжение, Па; g – ускорение свободного падения,
м/с2; ρi – плотность i-го слоя по результатам плотностного каротажа, кг/м 3;
hi – мощность i-го слоя (шаг записи плотностного каротажа), м.
Горизонтальные напряжения также учитывают действие тектонических
сил и определяются по формулам:
 stE st E
h =( v − P) + P + h + st st2  H , (2)
1 −  st1 −  st
1 −  st
E st E
 H = st ( v − P) + P + H + st st2  h , (3)
1 −  st1 −  st
1 −  st
где σh и σH – минимальное и максимальное горизонтальные напряжения, Па;
λ – коэффициент бокового распора; α – коэффициент Био; P – пластовое
давление, Па; νst – статический коэффициент Пуассона; Est – статический
модуль Юнга, Па; εh и εH – деформации в направлении минимального и со-
ответственно максимального горизонтальных напряжений, м.
Матрица угольных пластов сложена плотным метаморфизированным
органическим веществом, имеющим низкую межзерновую проницаемость,
что делает естественные и искусственные трещины коллектора основным
проводящим путем для пластовых флюидов. Эндогенный кливаж образуется
в угольных пластах в процессе углефикации, когда летучие вещества поки-
дают угольную матрицу, вызывая уменьшение ее объема. Погружение
угольных пластов и тектонические движения в течение геологического вре-
мени увеличивают данную сеть трещин. Способность угольных пластов
проводить через себя жидкость или газ обусловлена именно первоочередной
сетью эндогенных трещин.
Для оценки изменения проницаемости угольного пласта в рамках рабо-
ты использована формула:
k−C ( − 0 ) ,
=e f(4)
k0
где k/k0 – отношение проницаемости угольного пласта при текущем напря-
жении к начальной проницаемости угольного пласта; α – коэффициент чув-
ствительности угольного пласта к напряжениям (~3); Cf – коэффициент
сжимаемости угольного пласта (~0,058 МПа–1); σ – текущее эквивалентное
напряжение, действующее на угольный пласт; σ0 – начальное эквивалентное
напряжение (по результатам моделирования начального НДС).
Соответственно при значениях k/k0=1 изменение проницаемости отсут-
ствует, при k/k0<1 происходит снижение проницаемости, при k/k0>1 образу-
ется зона повышенной проницаемости.
Для исследования влияния конструкции горизонтальной метаноуголь-
ной скважины на геомеханическое состояние и проницаемость угольного
пласта рассмотрены схемы, представленные на рисунке 1 с указанием плос-
костей сечения для последующего определения в их пределах НДС.

Рисунок 1 – Принятые схемы горизонтальных скважин: а – U-образная,
б – V-образная, в – многозабойная, 1 – горизонтальная скважина,
2 –вертикальная скважина, 3 – боковые стволы, 4 – плоскости сечения

Для указанных схем выполнено двухмерное геомеханическое модели-
рование методом конечных элементов. Адекватность полученных результа-
тов оценена по проведенному in situ в близлежащей скважине № 1
мини-ГРП, давление закрытия трещины пласта 73-72 в которой соответству-
ет значению минимального горизонтального напряжения в скважине № 10.
Чтобы количественно сравнить НДС в разных точках модели, когда
в каждой точке рассчитано шесть компонент, необходимо представить
напряженное состояние в конкретной точке одной скалярной величиной
(скалярным эквивалентом тензора). Напряжение фон Мизеса является такой
величиной и вычисляется по формуле:
( 1 −  2 ) 2 + ( 2 −  3 ) 2 + ( 1 −  3 ) 2 ,
 =(5)
где σ – эквивалентное напряжение фон Мизеса, Па; σ1, σ2, σ3 – главные нор-
мальные напряжения, действующие в рассматриваемой точке, Па.
На рисунке 2 представлена картина распределения напряжений и про-
ницаемости в угольном пласте на глубине 700 м с одиночной U-образной
горизонтальной скважиной диаметром 76 и 114 мм соответственно.

Рисунок 2 – Распределение эквивалентного напряжения и отношения теку-
щей проницаемости угольного пласта к начальной вокруг U-образной гори-
зонтальной метаноугольной скважины диаметром 76 мм (а, б) и 114 мм (в, г)

В направлении от стенки скважины по оси вертикального напряжения
в обоих случаях формируется зона сжатия, снижающая проницаемость
и увеличивающаяся при увеличении диаметра ствола. По горизонтали
вглубь пласта формируется обширная область разгрузки и увеличения про-
ницаемости. Размер области разгрузки не зависит от диаметра скважины.
В зависимости от глубины, картины изолиний неизменны, меняется
только величина эквивалентных напряжений, соответствующих изолиниям.
Для детальной оценки изменения проницаемости после строительства гори-
зонтальных скважин, по линиям наименьшего напряжения построены гра-
фики отношения k/k0 для рассматриваемых глубин залегания пласта и диа-
метров стволов. На рисунке 3 представлены указанные графики для
U-образной скважины.
15,0015,00

10,0010,00

5,005,00

0,000,00
0,000,050,100,150,000,050,100,15
Расстояние от стенки скважины, мРасстояние от стенки скважины, м

Рисунок 3 – Графики изменения отношения текущей проницаемости уголь-
ного пласта к начальной k/k0 после строительства U-образной горизонталь-
ной скважины с диаметром ствола 76 мм (а) и 114 мм (б)

Результаты для V-образной скважины показали аналогичные результа-
ты. Распределение для многозабойной скважины представлено на рисунке 4.

Рисунок 4 – Распределение эквивалентного напряжения и отношения теку-
щей проницаемости угольного пласта к начальной вокруг многозабойной
скважины диаметром 76 мм (а, б) и 114 мм (в, г) в сопряжении
На рисунке 5 представлено изменение проницаемости от глубины
и диаметра стволов в направлении минимального сопротивления.
40,0040,00

35,0035,00

30,0030,00

25,0025,00

20,0020,00

15,0015,00

10,0010,00

5,005,00

0,000,00
0,000,050,100,150,000,050,100,15
Расстояние от бокового ствола, мРасстояние от бокового ствола, м

Рисунок 5 – Графики изменения отношения текущей проницаемости
к начальной k/k0 после строительства многозабойной скважины с диаметром
бокового ствола 76 мм (а) и 114 мм (б) в плоскости сопряжения стволов

Интенсивное увеличение проницаемости (k/k0≥2) наблюдается на рас-
стоянии, соизмеримом с диаметром ствола в соотношении 0,05D (5%
от диаметра) на каждые 100 м глубины залегания пласта для U-образной
и V-образной скважин. В случае сопряжения многозабойной скважины
наблюдается на расстоянии ~0,1D (10% от диаметра ствола) на каждые
100 м залегания пласта, а в случае через 2 м от сопряжения уже 0,15D (15%
от диаметра ствола) на каждые 100 м глубины пласта.
Полученные результаты позволили сформулировать первое научное
положение.
В третьей главе проведена промысловая оценка влияния конструкции
горизонтальной метаноугольной скважины на геомеханическое состояние
и проницаемость угольного пласта.
Промысловая оценка влияния конструкции горизонтальной скважины
на НДС и проницаемость угольного пласта в рамках данной работы выпол-
нялась на Нарыкско-Осташкинском метаноугольном месторождении Куз-
басса. В качестве объекта работ выбран мощный угольный пласт 73-72, на
котором была пробурена первая в Российской Федерации горизонтальная
метаноугольная скважина № 11, имеющая U-образную конструкцию. Дан-
ная скважина принята в данной работе в качестве базового варианта, позво-
ляя выполнить обоснованный сравнительный анализ с экспериментальной
многозабойной метаноугольной скважиной № 332, пробуренной также
в пределах указанного угольного пласта.
Первичная оценка кернового материала позволила сделать вывод о том,
что на всем месторождении в угольном пласте 73-72 прогнозируется разви-
тая эндогенная трещиноватость и, соответственно, высокая (по меркам не-
традиционного коллектора) проницаемость. Для количественного определе-
ния фильтрационных параметров угольных пластов использованы результа-
ты гидродинамических исследований (ГДИС), представленные на рисунке 6.
Проницаемость по данным ГДИС, мД
21,2
19,7
151313,6
107,4
227,80534,10614,18675,65735,20824,70867,50
Глубина кровли угольного пласта, м

Рисунок 6 – Распределение проницаемости (ГДИС) угольного пласта
73-72 по глубине

Как видно из графика, до глубины ~600 м проницаемость снижается
с глубиной, на глубине 675 м является максимальной, а с дальнейшим уве-
личением глубины залегания пласта наблюдается увеличение проницаемо-
сти. Минеральный и петрографический состав пласта по месторождению
изменяются незначительно, в связи с чем, в условиях возрастания глубин
залегания пласта, такое изменение проницаемости в скважинах свидетель-
ствует о влиянии действующих в массиве напряжений.
На системе скважин № 10 и № 11 была апробирована технология до-
полнительного воздействия в вертикальной скважине путем проведения
ГРП. Для оценки влияния искусственных трещин на НДС пласта выполнено
численное геомеханическое моделирование горизонтальной трещины ГРП
раскрытием 0,1 м и длиной 10 м и 30 м. Полученные результаты оценки из-
менения проницаемости приведены на рисунке 7 в виде рассчитанных по
формуле (4) областей разгрузки.

Рисунок 7 – Оценка изменения проницаемости вокруг трещин ГРП

Увеличение проницаемости наблюдается по всей мощности целевых
угольных пластов вдоль простирания трещины ГРП, за исключением концов
трещин, являющихся концентраторами напряжений. Для оценки проницае-
мости трещин до и после их закрепления, была разработана и запатентована
лабораторная установка, моделирующая трещиноватый горный массив,
а также разработана программа для ЭВМ, позволяющая ускорить проведе-
ние расчетов. На данной установке был проведен ряд экспериментов, позво-
ливших определить, что материалом, наиболее эффективным для закрепле-
ния трещин ГРП в угольных пластах, является природный кварцевый песок
после обогащения и выделения определенных фракций, подбирающихся под
условия залегания угольного пласта
Для определения главных компонент тензора напряжений в угольном
пласте 73-72 в местах его вскрытия горизонтальными скважинами № 11
и № 332, использованы данные исследований в первоочередных вертикаль-
ных скважинах № 10 и № 31. Данные скважины являются опорными и поз-
воляют получить наиболее полную информацию о целевом пласте, т. к. бу-
рятся первыми в системе. В таблице 1 представлены средние значения
напряжений, принятые для дальнейшего геомеханического моделирования
в промысловых условиях.

Таблица 1 – Средние значения главных напряжений, действующих
в угольном пласте 73-72 в местах вскрытия скважинами № 10 и № 31
№ сква-Ед.
ПараметрЗначение
жиныизм.
Геостатическое напряжение σvМПа19,137
10Минимальное горизонтальное напряжение σhМПа15,917
Максимальное горизонтальное напряжение σHМПа16,783
Геостатическое напряжение σvМПа12,752
31Минимальное горизонтальное напряжение σhМПа12,528
Максимальное горизонтальное напряжение σHМПа13,341

Для определения изменения главных напряжений, полученные компо-
ненты тензора были спроецированы на пробуренные горизонтальные ство-
лы, а именно – произведена интерполяция главных нормальных напряжений
на траектории скважин (изменение абсолютной глубины в каждой точке).
Для определения наиболее вероятного направления распространения
главных эндогенных трещин восстановлена хронология формирования
угольных пластов Кузбасса. Так, направление максимального главного
напряжения совпадает с направлением разрывных нарушений в масштабе
месторождения.
По аналогии с вариантами горизонтальных метаноугольных скважин во
второй главе, для пробуренных скважин № 11 и № 332 выполнено двухмер-
ное геомеханическое моделирование по полученным промысловым данным.
На рисунке 8 представлены результаты проведенного геомеханического мо-
делирования и оценки проницаемости для двух рассмотренных сечений –
в точке входа в пласт и, фактически, на забое скважины № 11.

Рисунок 8 – Распределение эквивалентного напряжения и отношения теку-
щей проницаемости угольного пласта 73-72 к начальной вокруг U-образной
скважины № 11 через 10 м после входа в пласт (а, б) и через 470 м (в, г)
Во всех сечениях основных стволов отсутствуют зоны разгрузки
и участки пласта в окрестности обсадной колонны испытывают значитель-
ное уплотнение. Восстающий ствол многозабойной скважины позволил сни-
зить сжатие на забое за счет перераспределения напряжений и смещения
зоны уплотнения вдоль плоскости напластования, сократив ее размер с 6 см
до 1,75 см по вертикальной оси. При этом, уплотнение по горизонтальной
оси растянулось на расстояние, практически равное двум диаметрам ствола.
В случае необсаженных стволов наблюдается изменение преимуще-
ственного направления зоны сжатия на вертикальную ось. Приращения
в абсолютных глубинах бокового ствола № 1 недостаточно для изменения
картины напряженного состояния, в случае же ствола № 3 на забое наблю-
дается снижение влияния зоны сжатия и появления небольшой зоны
разуплотнения на расстоянии одного диаметра ствола. Появление зон
разуплотнения на забое также фиксируется и на других восходящих боко-
вых стволах (рисунок 9), при этом в точках зарезки стволов данные зоны не
наблюдаются.

Рисунок 9 – Распределение эквивалентного напряжения (а) и отношения те-
кущей проницаемости угольного пласта 73-72 к начальной k/k0 (б) вокруг
многозабойной скважины № 332 через 360 м бокового ствола № 5

В случае пятого ствола наблюдается наибольшая область разуплотне-
ния по наибольшей оси, распространенная вглубь пласта на расстояние по-
рядка 80% от диаметра ствола. В случае бокового ствола № 5 за счет сниже-
ния абсолютной глубины (истинной вертикальной) на 70 м проницаемость
увеличилась на 14%, а зона уплотнения уменьшилась практически вдвое.
Полученные результаты подтверждают, что даже в условиях горизон-
тального сжатия многозабойная скважина показывает свою эффективность,
но уже при соблюдении некоторых условий – восходящего профиля и ухода
в зоны наибольшего различия главных напряжений. Одноствольные сква-
жины в условиях преобладания горизонтальных напряжений неэффективны
и, в случае их применения, требуют дополнительного воздействия, напри-
мер, проведения в них операций ГРП.
На основании полученных результатов сформулировано второе научное
положение.
В четвертой главе предложена и обоснована методика выбора кон-
струкции многозабойной горизонтальной метаноугольной скважины.
Учитывая, что наиболее значимыми достоинствами многозабойных
скважин являются их большая площадь дренирования и увеличенный кон-
такт с угольным пластом, целесообразно в качестве параметра эффективно-
сти использовать объем «полезной» проходки, не снижающей проницае-
мость пласта. На рисунке 10 представлены результаты такого анализа по
скважинам № 11 и № 332.

Рисунок 10 – Результаты анализа эффективности горизонтальной проходки
скважин № 11 и № 332: красным обозначены зоны преобладания сжатия,
зеленым – разуплотнения
Вывод об эффективности конструкции горизонтальной скважины пред-
ложено выполнять в соответствии с формулой (6):
L
r =1− s ,(6)
Lo
где r – коэффициент геомеханической эффективности конструкции горизон-
тальной метаноугольной скважины; Ls – проходка скважины в угольном
пласте с приуроченными зонами сжатия (k/k0<1), м; Lо – общая проходка скважины в угольном пласте, м. Рассчитаны коэффициенты геомеханической эффективности для иссле- дуемых конструкций скважин: r11 = 1 – (483/483) = 0; r332 = 1 – (2 733/3 733) = 0,27. Таким образом, в отличие от сжатого ствола скважины № 11, 27% скважины № 332 разгружены от напряжений. Для комплексного анализа рассмотрим результаты начальных этапов освоения исследуемых скважин и сделаем вывод об их эффективности на основе полученных дебитов газа. Так, пиковый среднесуточный дебит скважины № 11 на начальном этапе освоения составил 322 м3/сут., а скважины № 322 более чем в два раза выше, 694 м3/сут., что подтверждает большую эффективность многозабойной ме- таноугольной скважины. В таблице 2 представлены результаты оценки предложенного техниче- ского решения по многозабойной скважине и базового варианта – одиноч- ной горизонтальной скважины. Таблица 1 – Результаты оценки технической эффективности конструкции многозабойной горизонтальной скважины Значение ПараметрБазовыйПредлагаемый вариантвариант Глубина залегания продуктивного угольного пласта, м739,5-805,5405,0-541,3 Эффективная мощность продуктивного угольного пла- ста, м Коэффициент проницаемости продуктивного угольного 4·10−150,01·10−15 пласта, м2 Количество дополнительных интервалов гидроразрыва в вертикальной скважине, шт. Количество необсаженных боковых стволов, шт.05 Диаметр горизонтальных стволов (диаметр долота), м142,9·10−3152,4·10−3 Суммарная проходка по продуктивному угольному 4833 733 пласту, м Минимальное начальное эквивалентное напряжение, 17,585·10611,337·106 Па Минимальное эквивалентное напряжение после строи- 17,480·10610,560·106 тельства скважины, Па Увеличение проницаемости в зонах разгрузки присква- жинной зоны пласта, % Коэффициент геомеханической эффективности кон- 00,27 струкции скважины Среднесуточный дебит газа на начальных этапах осво- 322694 ения, м3/сут. На основе результатов выполненных исследований разработана мето- дика выбора мест заложения и наиболее эффективных в имеющихся горно- геологических условиях конструкций горизонтальных многозабойных сква- жин для добычи метана угольных пластов. Разработанная методика позво- ляет повысить дебит многозабойной скважины более чем в два раза по срав- нению с одиночной горизонтальной скважиной за счет учета конструкции, геомеханического состояния и проницаемости угольного пласта. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение научной задачи по геомеханическому обоснованию применения многозабойных горизонтальных скважин при добыче метана угольных пластов, включающей в себя теоретическое обоснование влияния геомеханического состояния угольного пласта на его проницаемость вокруг горизонтальных скважин различной конструкции, промысловую оценку влияния конструкции горизонтальной скважины на геомеханическое состо- яние и проницаемость угольного пласта, а также обоснование и разработку методики выбора конструкции многозабойной горизонтальной метано- угольной скважины, что имеет важное значение для добычи метана уголь- ных пластов. Основные научные и практические результаты и рекомендации заклю- чаются в следующем. 1. Определены зависимости расстояния распространения зон разгрузки горизонтальных метаноугольных скважин от глубины угольного пласта. Так, при строительстве многозабойной скважины диаметр боковых стволов имеет ключевое значение и позволяет за счет разгрузки от напряжений по- высить проницаемость околоскважинной зоны пласта в направлении макси- мального главного напряжения на расстояние, равное 10% от принятых диаметров ствола на каждые 100 м глубины залегания пласта на протяжении 2 м после сопряжения стволов и на расстояние 15% от принятых диаметров ствола на каждые 100 м глубины залегания пласта на всем протяжении бо- ковых отводов. 2. Промысловая оценка изменения проницаемости угольного пласта за счет формирования зон разуплотнения вокруг боковых стволов многозабой- ных горизонтальных метаноугольных скважин показала, что в условиях преобладания горизонтальных напряжений конструкция многозабойной скважины с восходящим профилем позволяет выйти за счет необсаженных боковых отводов в зоны пласта с большей разницей между геостатическим и горизонтальными напряжениями и сократить распространение вглубь пла- ста зон сжатия, повысив проницаемость за счет дополнительных зон раз- грузки на 14% по сравнению с начальной при снижении абсолютной глуби- ны на 70 м. 3. Подготовлена и обоснована методика, позволяющая определить гео- механическую эффективность конструкций горизонтальных многозабойных метаноугольных скважин для увеличения их дебита. Так, использование при выборе наиболее эффективных в имеющихся горно-геологических условиях конструкций горизонтальных многозабойных метаноугольных скважин ко- эффициента геомеханической эффективности, определяемого как разница между единицей и отношением длины ствола скважины с приуроченными зонами сжатия к общей длине ствола скважины, позволяет повысить дебит многозабойной скважины более чем в 2 раза по сравнению с одиночной го- ризонтальной скважиной. Полученные результаты легли в основу разработанных методических рекомендаций по выбору мест заложения и конструкций горизонтальных метаноугольных скважин, принятых к использованию в ООО «Газпром до- быча Кузнецк». Также полученные результаты возможно использовать при проектировании дегазационных работ на угольных шахтах с учетом ряда особенностей, что является преспективным направлением дальнейших ис- следований.