способ добычи сланцевого газа

Формула изобретения

1. Способ добычи сланцевого газа, включающий строительство основной скважины, ствол которой имеет вертикальный и горизонтальный участки, последний из которых размещают в продуктивном сланцевом пласте, и стимулирование притока газа к горизонтальной части ствола с помощью выполнения гидравлических разрывов продуктивного сланцевого пласта по ее протяженности, отличающийся тем, что добычу газа осуществляют в следующей технологической последовательности: из вертикального ствола основной скважины бурят вокруг него несколько боковых горизонтальных стволов, которые пространственно ориентируют, в том числе в азимутальной плоскости, размещенной между кровлей и подошвой продуктивного сланцевого пласта; на каждый торцевой конец боковых горизонтальных стволов бурят вспомогательную вертикальную скважину и соединяют ее с боковым горизонтальным стволом методом гидравлического разрыва, а в качестве рабочей жидкости гидроразрыва применяют только чистую воду; стимулирование притока газа в боковых горизонтальных стволах осуществляют различными методами, причем для оценки эффективности методов стимулирования проводят гидродинамические исследования дренирующей способности каждого бокового горизонтального ствола до и после осуществления соответствующего метода стимулирования притока газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что боковой горизонтальный ствол стимулируют путем гидроимпульсного воздействия на него попеременно водой и воздухом в следующей технологической последовательности: закрывают задвижку на головке основной вертикальной скважины, одновременно закачивают воду во вспомогательную вертикальную скважину бокового горизонтального ствола и повышают давление в нем до максимального, близкого к давлению разрыва на данной глубине; затем открывают упомянутую задвижку и начинают нагнетать воздух высокого давления во вспомогательную вертикальную скважину бокового ствола и снижают давление в разгружаемом горизонтальном боковом стволе до минимального; повторяют многократно переход от закачки воды на нагнетание воздуха; оценивают количество вынесенных кусков сланцевой породы, эквивалентное объему расширенного бокового ствола.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что боковой горизонтальный ствол стимулируют огневым методом в следующей технологической последовательности: воспламеняют сланец в забое основного вертикального ствола, а в боковые вспомогательные вертикальные скважины нагнетают ограниченное количество воздушного дутья; контролируют перемещение очага горения навстречу нагнетаемому воздушному дутью по снижению гидравлического сопротивления горизонтального канала; а после стабилизации последнего отключают воздушное дутье и продувают горизонтальный канал азотом.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что боковой горизонтальный ствол стимулируют методом взрыва в следующей технологической последовательности: укладывают в горизонтальном буровом канале взрывчатое вещество в оболочке; выводят его концы в основной или боковой вертикальные стволы скважин; в обоих обсаженных стволах устанавливают внизу пакерное устройство и производят взрыв заряда.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что головку основного вертикального ствола оборудуют задвижкой системы автоматического - дистанционного управления ее закрытием и открытием.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что осуществляют все три метода стимулирования по пп.2-4 отдельных боковых горизонтальных стволов, оценивают удельные капитальные и текущие затраты, отнесенные к объему извлеченного сланцевого газа, и делают выводы о целесообразности промышленного применения каждого из методов стимулирования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, в частности к добыче газа из сланцевых месторождений.

Известен способ извлечения метана из глубокозалегающих газосланцевых залежей [1. Сильверстов Л.К. Газоносные сланцы Северной Америки - источник природного газа. Ж. «Энергия, экономика, техника, экология», 2010, № 3, сс.12-16]. Это техническое решение, наиболее близкое к заявляемому изобретению, заключается в бурении на газосланцевую залежь вертикально-горизонтальных скважин. По длине горизонтального ствола проводят в отдельных местах перфорацию, а затем через них гидравлический разрыв сланцевой породы. При этом используют пропант (твердые, калиброванные частицы) и в качестве носителя пропанта - особый гель. Гель, как правило, представляет собой жидкую смесь различных химических реагентов (метанол, полимеры и др.) [2. RU, патент № 2280762, 2006 г.]. По длине горизонтального ствола проводят до 10 гидроразрывов, один интервал такого гидроразрыва обходится примерно в 100000 долл. США.

Негативными отличиями этого технического решения стимуляции горизонтального ствола в газосланцевой залежи являются:

- используется только малая поверхность горизонтального ствола, т.к. перфорация его производится только локально в отдельных зонах;

- высокая стоимость затрат на перфорацию и на процесс многоэтапного гидроразрыва;

- загрязнение гидросферы, в том числе горизонтов питьевой воды, химическими реагентами при гидроразрыве.

Известно также техническое решение по проведению гидравлического разрыва угольного пласта и промывке образовавшейся щели на чистой воде [3. RU, патент № 2041347, 1995; патент № 2209968, 2003]. Однако оно не рассчитано на расширение буровых каналов, тем более в сланцевых породах. Другим техническим решением стимуляции дренирующей способности является огневая проработка буровых каналов в угольном пласте [4. RU, патент № 2209984, 2003]. Однако оно не было адаптировано к месторождению сланцев. Огневую проработку буровых каналов в сланцевом пласте до сих пор не проводили и параметры перемещения прямоточного и противоточного очага горения неизвестны.

И, наконец, известно использование взрывов в заполненном водой каналах [5. Адушкин В.В., Тихомиров A.M. Волна сжатия при взрыве цилиндрического заряда, Ж. «ФТПРПИ», 1986, № 4, сс.38-47].

Необходимо техническое и технологическое воплощение использования взрывной волны применительно к газосланцевой залежи.

Однако все перечисленные технические решения не отвечают комплексной проблеме эффективного извлечения сланцевого газа.

Целью предлагаемого способа является создание в газосланцевой залежи коллекторов большого сечения с хорошо развитой трещиноватой структурой как на боковой поверхности бурового канала, так и в виде площадных трещин в массиве газосланцевой залежи. При этом разрабатываемый способ должен быть не только эффективен технически и экономически, но и экологически безопасен.

Поставленная цель достигается тем, что добычу газа осуществляют в следующей технологической последовательности: из вертикального ствола основной скважины бурят вокруг него несколько боковых горизонтальных стволов, которые пространственно ориентируют, в том числе в азимутальной плоскости, размещенной между кровлей и подошвой продуктивного сланцевого пласта; на каждый торцевой конец боковых горизонтальных стволов бурят вспомогательную вертикальную скважину и соединяют ее с боковым горизонтальным стволом методом гидравлического разрыва, а в качестве рабочей жидкости гидроразрыва применяют только чистую воду; стимулирование притока газа в боковых горизонтальных стволах осуществляют различными методами, причем для оценки эффективности методов стимулирования проводят гидродинамические исследования дренирующей способности каждого бокового горизонтального ствола до и после осуществления соответствующего метода стимулирования притока газа.

В основном методе боковой горизонтальный ствол стимулируют путем гидроимпульсного воздействия на него попеременно водой и воздухом в следующей технологической последовательности: закрывают задвижку на головке основной вертикальной скважины, одновременно закачивают воду во вспомогательную вертикальную скважину бокового горизонтального ствола и повышают давление в нем до максимального, близкого к давлению разрыва на данной глубине; затем открывают упомянутую задвижку и начинают нагнетать воздух высокого давления во вспомогательную вертикальную скважину бокового ствола и снижают давление в разгружаемом горизонтальном боковом стволе до минимального; повторяют многократно переход от закачки воды на нагнетание воздуха; оценивают количество вынесенных кусков сланцевой породы, эквивалентное объему расширенного бокового ствола.

В предлагаемом способе предусмотрено также, что боковой горизонтальный ствол стимулируют огневым методом в следующей технологической последовательности: воспламеняют сланец в забое основного вертикального ствола, а в боковые вспомогательные вертикальные скважины нагнетают ограниченное количество воздушного дутья; контролируют перемещение очага горения навстречу нагнетаемому воздушному дутью по снижению гидравлического сопротивления горизонтального канала; а после стабилизации последнего отключают воздушное дутье и продувают горизонтальный канал азотом.

Боковой горизонтальный ствол стимулируют также методом взрыва в следующей технологической последовательности: укладывают в горизонтальном буровом канале взрывчатое вещество в оболочке; выводят его концы в основной или боковой вертикальные стволы скважин; в обоих обсаженных стволах устанавливают внизу пакерное устройство и производят взрыв заряда. Кроме того головку основной вертикальной скважины оборудуют задвижкой системы дистанционного автоматического управления ее закрытия и открытия.

При этом осуществляют все три метода стимулирования отдельных боковых горизонтальных стволов, оценивают удельные капитальные и текущие затраты, отнесенные к объему извлеченного сланцевого газа, и делают выводы о целесообразности промышленного применения каждого из методов стимулирования.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с приведенными выше аналогами показывает, что разработку газосланцевой залежи с извлечением углеводородного газа (метана) из нее осуществляют через специально пробуренную систему скважин, в которой из обсаженного вертикального ствола бурят боковые горизонтальные стволы, необсаживаемые трубами, на их конец бурят вертикальные скважины, соединяемые с горизонтальным стволом гидравлическим разрывом сланцевой толщи чистой водой. При этом в качестве скважины-стока используют центральный обсаженный вертикальный ствол, головку которого оборудуют задвижкой с системой автоматического (дистанционного) управления ее закрытием и открытием, а для интенсификации притока сланцевого газа к боковым горизонтальным стволам применяют методы стимулирования, а именно, гидроимпульсное воздействие на стенки горизонтального ствола, его огневое расширение и взрывной эффект в нем. Все это соответствует критерию «новизна» для заявляемого способа.

Предлагаемый способ соответствует также изобретательскому уровню с критерием «существенные отличия», так как позволяет осуществлять не локальное воздействие на газосланцевую залежь, а площадное. Предлагаемые методы стимуляции горизонтальных стволов в газосланцевой залежи обеспечивают им высокую дренирующую способность, а, следовательно, большие притоки к ним сланцевого газа, при этом с минимальными затратами.

На графическом изображении приведена система буровых стволов по заявляемому изобретению.

Пример осуществления заявляемого способа

Прежде всего проанализируем известное решение [1], широко используемое на Западе. Вертикально-горизонтальная скважина состоит из вертикального и горизонтального стволов, при этом по длине горизонтального ствола осуществляют несколько гидроразрывов газосланцевой толщи. Проведение многоэтапных гидроразрывов требует соответственно многоразовых забойных сборок скважинного оборудования для перфорации, пакерной изоляции, а также гидроразрывов сланцевой залежи. Все это определяет высокую стоимость такого способа стимуляции горизонтального ствола несколькими гидроразрывами по длине. Последнее также обуславливает ограниченную по величине дренирующую поверхность. В заявляемом способе реализуется проточная схема нескольких скважин, соединенных в единую гидравлически связанную систему. Это позволяет применить несколько вариантов стимуляции горизонтального ствола, причем по всей его длине.

Согласно показанному на графическом изображении плану расположения скважин, из основного вертикального ствола 1 бурят несколько необсаживаемых горизонтальных стволов 2 (на схеме представлено по кругу четыре или восемь стволов), на каждый из них бурят вертикальные скважины 3. Используя современные навигационные средства удается соединить вертикальные скважины 3 с торцом горизонтальных каналов 2. В случае необходимости используют гидравлический разрыв сланцевой толщи чистой водой из вертикальных скважин 3. Кроме того горизонтальные стволы 2 могут располагать пространственно между кровлей и почвой сланцевого пласта.

Количество горизонтальных стволов определяют в зависимости от газонасыщенности газосланцевой залежи (в м³/км²) и их протяженности. В проекте опытного пилотного (демонстрационного) предприятия по извлечению метана из газосланцевой залежи предусмотрено 4 боковых горизонтальных ствола. Это преприятие планируется реализовать в прибрежной зоне северо-восточной Сибири, где прогнозируется крупное газосланцевое месторождение на глубине более 1000 м.

Центральный вертикальный ствол 1 имеет диаметр в обсадке 12" (300 мм), а диаметры горизонтальных стволов 2 и вертикальных скважин 3(8) - 4" (100 мм).

После соединения скважин 3 с горизонтальными стволами 2 приступают к активной стимуляции последних с целью интенсификации притока к ним сланцевого газа. Причем в проекте пилотного предприятия предусмотрено испытание трех методов стимуляции притока сланцевого газа.

Первый вариант стимулирования заключается в пневмогидравлическом воздействии на стенки горизонтального ствола. С этой целью в один из горизонтальных стволов 2 через вертикальную скважину 3 закачивают чистую воду.

При этом задвижку на центральном вертикальном стволе 1 закрывают. При нагнетании 10-15 м³/мин воды давление на головке вертикальной скважины 1 постепенно повышается до величины, не превышающей давления гидроразрыва на этой глубине (для глубины 1000 м давление гидроразрыва составляет около 28,0-30,0 МПа). После этого задвижку на головке скважины 1 открывают, а в скважину 3 начинают нагнетать воздух высокого давления в количестве 1000-1500 м³/час. Давление на скважине 3 постепенно снижается, поток воды в горизонтальном канале 2 «разгоняется» и механически воздействует на его стенки, в истекающей из центрального вертикального ствола 1 водовоздушной смеси появляются куски отслоившейся сланцевой породы. После прекращения выноса твердых частиц задвижку на головке скважины 1 закрывают, а в скважину 3 начинают нагнетать воду, при этом давление на ней постепенно повышается до величины, близкой к давлению разрыва и т.д.

Эту технологическую последовательность повторяют многократно, что приводит к гидравлическим ударам в горизонтальном стволе 2 и отслаиванию породы с его боковых стенок, а, следовательно, его расширению. Кроме того при таком гидроимпульсном воздействии на массив образуются площадные трещины, уходящие вглубь от горизонтального ствола по всей его длине.

Для реализации этого метода стимуляции притока газа к горизонтальной дрене необходимы мобильные водяные насосы общей производительностью до 15-20 м³/мин (давление - до 30,0 МПа) и передвижной воздушный компрессор производительностью до 1500 м³/час (давление - до 30,0 МПа).

Второй вариант стимулирования заключается в огневом расширении горизонтального ствола 2. Для этого (согласно проведенному лабораторному эксперименту) в забое центрального вертикального ствола 1 с помощью специальных воспламенителей разжигают сланец. Нагнетают воздух в вертикальную скважину 3 в количестве 500-600 м /час и очаг горения перемещается навстречу потоку воздуха от вертикального ствола 1 к вертикальной скважине 3 со скоростью около 1,0 м/час. Скважину 1 оборудуют системой охлаждения. Таким образом, в течение около месяца горизонтальный буровой канал длиной 1000 м будет расширен до 0,4-0,6 м и прогрет на глубину до 1,0-1,5 м. После тушения очагов горения азотом, термически обработанная дрена между скважинами 1 и 3 будет активно дренировать сланцевый газ.

Третий вариант стимулирования заключается в укладке в горизонтальном стволе 2 штатного взрывчатого вещества в оболочке. Объем ствола заполнен водой, а обсаженные вертикальные стволы 1 и 3 изолируются установкой в нижней части пакеров. После этого инициируется взрыв уложенного в оболочке взрывчатого вещества. Вследствие малой сжимаемости воды ударные волны затухают очень медленно. При взрыве возникает газовый пузырь, давление внутри которого достигает сотен МПа. Ударная волна, возникающая вследствие расширения газов, то расширяется, то сжимается. В результате механических напряжений слои сланца на стенках бурового канала механически разрушаются и возникают необратимые деформации.

В эксперименте на стенде, проведенном в горизонтальном канале диаметром 150 мм, на расстоянии 1 м возникало давление 150 МПа. Пульсации ударной волны составляли всего лишь 0,5 с.

Кроме того экспериментально было показано, что заполнение горизонтального канала взрывчатым веществом (тротилом) желательно в пределах 5-20%. В этом случае давление в газовом пузыре максимально и разупрочнение сланцевой залежи тоже максимально.

С учетом проведенных стендовых экспериментов в опытно-промышленном объекте на одном из горизонтальных стволов 2 планируется уложить взрывчатое вещество (тротил) в оболочке диаметром 20-25 мм. Образовавшаяся взрывная волна должна произвести интенсивное обрушение в канале и газосланцевой залежи. После удаления образовавшейся мелочи твердых частиц в канале дренирующая способность горизонтального ствола 2 с активной трещиноватостью в породах залежи должна возрасти в сотни раз.

Для определения эффекта (каждого из рассмотренных трех вариантов стимулирования) притока сланцевого газа будут проведены соответствующие гидродинамические исследования сразу же после завершения бурения и после осуществления варианта стимулирования (гидроимпульсное, огневое, взрывное). Это даст основания для рекомендаций по промышленному использованию испытанных вариантов.

Реализация заявляемого способа планируется на демонстрационном (пилотном) объекте добычи сланцевого газа на северо-восточном газосланцевом месторождении (Якутия, Чукотка).