CC BY
38
СЕМИНАР 10
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА 2001”
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© А.В. Шестопалов, 2001
УДК 622.272:622.831.325.3
А.В. Шестопалов
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ СКВАЖИННОЙ ДОБЫЧИ УГОЛЬНОГО МЕТАНА И СИЛЬНО ИЗМЕЛЬЧЕННОГО УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА
П
редлагаемая геотехнология носит гипотетический характер, так как еще не были проведены ее промышленные испытания. Однако, опирается она на вполне реальные теоретические предпосылки и результаты шахтных экспериментов, которые были получены автором около 20-ти лет назад [1, 2] и которые находят подтверждение на протяжении всех последующих лет и в настоящее время [3-9]. Всего у автора, по обсуждаемому вопросу, опубликовано около 60-ти научных статей и изобретений.
Технология предназначена для промысловой добычи метана из неразгруженных от горного давления угольных пластов на больших глубинах. При вскрытии скважиной полого залегающих угольных пластов, основное ее назначение - создать в угольном пласте каверну (полость) максимальных размеров [9]. При вскрытии скважиной круто залегающих угольных пластов (рис. 1), ожидается в течении длительного времени непрерывная добыча сильно измельченного угля в виде водоугольной суспензии (ВУС), и метана, без примеси воздуха, исключительно за счет энергии управляемого выброса угля и газа. Другими словами (согласно упомянутым публикациям) за счет управ-
ляемои псевдореакции саморазложения угольного пласта на твердую и газообразную компоненты под действием горного давления (потока механической энергии, вытекающей из массива в скважину). ВУС, после глубокого обогащения, перекачивается по трубопроводу и сжигается в котлоагрегатах тепловой электростанции. Метан может утилизироваться отдельно самостоятельно. Полная герметичность системы позволяет избежать
эмиссии метана в атмосферу. Замена традиционных жидких топлив на глубоко обогащенную, дешевую из-за отсутствия затрат на измельчение, ВУС уменьшает выбросы тепловой электростанцией золы в атмосферу. Отсутствуют потери угля при транспортировке. Добыча осуществляется без присутствия людей под землей.
Известно, что из всех сфер (например -космос, атмосфера, гидросфера, литосфера и др.) земная кора изучена менее всего подробно (в смысле глу-
бины - расстояния от дневной поверхности). Вероятность встретить неизвестный ранее науке объект (какое-нибудь "чудовище") в литосфере наиболее высока. Что, по нашему мнению, и произошло. Встретив, впервые более века назад, выброс угля и газа, человек не понял, что столкнулся с принципиально новым феноменом. Феноменом, которому не было и пока еще нет в настоящее время, прямых аналогов ни на дневной поверхности Земли, ни в лаборатории, ни в перечисленных геосферах, в том числе и в космосе. Феноменом, о котором, по мнению автора, наука просто понятия не имеет, т.к. для нее его не существует. Самоорганизация в краевой части горного массива лежит вне области при-
Рис. 1
ложения термодинамики. Второй закон термодинамики, в данном случае, теряет свою значимость, т.к. приращение энтропии на микроуровне становится бесконечно малой величиной. Наоборот, на макроуровне из "беспорядка" образуется "порядок". Процесс течет как бы с уменьшением энтропии.
Наиболее близким аналогом выброса угля и газа, по нашему мнению, является вулканизм. Насколько нам известно, вулканологи пока так не думают. Поэтому, мы спокойно (не волнуясь об авторских правах) берем для названия своей технологии рабочее название - "Вулкан". Если мы не правы, т.е. у вулканологов есть возражения и требуется ссылка на их работы, можем назвать свою технологию "Гейзер". Механизм всех перечисленных 3-х явлений, по нашему мнению, один и тот же, по своей сути - это "геореактор", отличие только в масштабных уровнях. Переходим к описанию непосредственно технологии.
Этап 1. На земной поверхности оборудуется площадка из армированного бетона повышенной прочности, способная в будущем противостоять выбросу угля и газа в скважину. Площадка при помощи анкеров крепится к земной поверхности. Производится монтаж бурового оборудования и начинается бурение скважины. До угольного пласта бурение осуществляется обычным способом. При достижении критической глубины, вокруг скважины начинает самопроизвольно образовываться порциями макро- (до 1 м) и мегаквантами (порядка первых сотен метров) "древовидная" система трещин. Через постоянный интервал бурения прорастают дискообразные трещины под углом 90 градусов к оси бурения. Дискообразные трещины ветвятся на цилиндрообразные трещины. Цилиндрические (цилиндрообразные) трещины располагаются под 90 градусов к дискообразным трещинам, то есть
параллельно оси бурения. На этом этапе, самообразование трещин играет негативную роль. Так как все трещины соединяются между собой и со скважиной, то параллельно со скважиной образуется альтернативный канал, сообщающийся с дневной поверхностью. В связи с этим, герметизация устья скважины не может быть эффективной с точки зрения газовой проницаемости.
Этап 2. При подходе к угольному пласту (см. рис. 1) бурение останавливают, буровой инструмент извлекают и осуществляют тампонирование трещин вокруг скважины. Например, в трещины нагнетают самотвердеющую жидкую пластическую массу. В результате реакции полимеризации через некоторое время она становится твердым (газонепроницаемым) телом. Скважина очищается от затвердевшей пластмассы путем повторного бурения. Стенки скважины должны быть непроницаемыми при давлениях газа близких к горностатическому. Это необходимо для того, чтобы вскрыть (перебурить) угольный пласт под давлением, что не даст образоваться техногенным трещинам в угольном пласте. В противном случае, образовавшаяся зона разупрочнения будет в будущем препятствовать прорастанию новых трещин до фундаментальной длины и, как следствие, предотвратит генерацию метана.
Этап 3. Для достижения выше описанной цели, поверхностный комплекс, включая буровое оборудование, изолируется от атмосферы Земли герметическим куполом (форма значения не имеет) повышенной прочности. Купол совместно с площадкой должен быть способен противостоять энергии выброса угля и газа в скважину в будущем. Купол заранее оборудуется патрубком (вводом) для сжатого газа, патрубком (выводом) для жидкостно-угольной суспензии (ЖУС) и шлюзовыми камера-
ми для перемещения людей и оборудования. Вопрос присутствия людей под колпаком на сегодня не определен, так как не известна величина избыточного давления газа под герметическим куполом. Вскрытие угольного пласта осуществляют под давлением газа на забой скважины, исключающем инициирование процесса самообразования трещин в угольном пласте вокруг скважины. При этом бурение осуществляют "всухую", то есть без использования промывочных жидкостей. Увлажнение угольного пласта не может способствовать в будущем росту трещин по угольному пласту до фундаментальной и более длины.
Этап 4. Не снижая давления газа под куполом, при помощи шлюзовых камер, осуществляют демонтаж бурового оборудования и монтаж оборудования для разделения, транспортировки из под купола продуктов выброса угля и газа в будущем (при эксплуатации геореактора). При первых испытаниях, на которых будет определена величина необходимого избыточного давления газа под куполом, эта операция отсутствует. Предполагается, что монтаж всего оборудования выполняется заблаговременно и буровое оборудование, если оно серийно выпускаемое, будет "похоронено" (придет в негодность) в результате воздействия жидкости. Или "не похоронено", если оно будет в соответствующем гидроизоляционном исполнении. При отрицательном решении вопроса присутствия людей под куполом, в будущем демонтаж и монтаж оборудования должен осуществляться роботами или манипуляторами. Оборудование должно быть специально разработанным для этих целей и условий.
Этап 5. Не снижая давления газа под куполом, начинают заполнение скважины рабочей жидкостью, может быть водой. До проведения натурных исследова-
ний химический состав рабочей жидкости, как и химический состав газа под колпаком, не может быть определен однозначно. По мере заполнения скважины жидкостью, уменьшают газовое давление на величину равную весу жидкости. После окончания заполнения системы жидкостью, резко (скачкообразно) сбрасывают давление газа под куполом, что, согласно нашей феноменологической теории (гипотезе), должно инициировать выброс угля и газа в скважину. Основным условием продолжения реакции является своевременное удаление ее продуктов, что, при соответствующем диаметре скважины, должен обеспечить метановый эрлифт.
Этап 6. Псевдореакция разложения углеводородного твердого раствора (угля) на газообразную и твердую компоненты запускается в результате нарушения механического (не термодинамического) равновесия. При этом, в результате саморазрушения порции краевой части угольного пласта вокруг скважины, образуется зона разупрочнения. Растущие трещины генерируют дополнительные (промысловые) количества метана. Образующийся ("рождаю-щийся") метан, своим давлением расклинивает проросшие под действием горного давления трещины и поддерживает их дальнейший рост. Процесс становится самоподдержи-вающимся и саморазвивающимся. Поднимающиеся на поверхность, пузырьки метана увлекают за собой сильно измельченное угольное вещество и более крупную фракцию, если такая будет. Для восполнения потерь жидкости под землей, по трубе, проложенной внутри скважины, с поверхности подается под давлением рабочая жидкость. При этом, на полого залегающих угольных пластах (рис. 2) должны возникать проблемы со своевременной доставкой рабочей жидкости к стенкам полости.
Этап 7. При отработке круто падающего угольного пласта, доставка рабочей жидкости к забою дополнительно осуществляется за счет гравитационных сил. Это должно сделать процесс саморазрушения более продолжительным, чем на полого залегающих пластах. На дневной поверхности (под газонепроницаемым куполом), газированная смесь жидкости с углем подается на конвейер проницаемый для жидкости. В результате происходит разделение смеси на четыре составляющие: 1) газообразный метан, 2) жидкость, 3) уголь крупной фракции и 4) смесь жидкости с сильно измельченным угольным веществом (ЖУС). Последняя, после глубокого обогащения, подается в котло-агрегаты тепловой электростанции. Жидкость, высвобождающаяся при разделении газированной смеси, используется повторно для нагнетания в угольный пласт.
Этап 8. Предполагается, что станут возможными многократная остановка и повторный запуск геореактора. Путем создания определенного давления газа под куполом достигается уменьшение абсолютных смещений на поверхности обнажения угольного массива и реактор останавливается. Для запуска реактора давление газа под куполом резко (скачкообразно) сбрасывается.
Контроль за процессом трещинообра-зования предполагается вести путем "прос-лушивания" массива с помощью геофона, расположенного в буровой штанге над буровой корон-
кой. Фильтрация низкочастотных шумов от бурового инструмента и выделение высокочастотных импульсов аккустической эмиссии от трещин, предполагаются возможными при помощи компьютера. Не исключаются другие схемы расположения геофонов непосредственно в угольном пласте. При этом скважины, пробуренные с поверхности для заложения геофонов, должны располагаться от геореактора на удалении, исключающем прорастание трещины от геофона до места будущего геореактора.
Этап 9. После истощения геореактора и прекращения фонтанирования на дневную поверхность газированной смеси жидкости с углем, в угольном пласте остается обширная полость (каверна). Обширная обнаженная поверхность формирует обширную зону разупрочнения, которая при своем об-
разовании генерирует большие дополнительные (промысловые) количества метана и сеть соединяющихся со скважиной каналов для его транспортировки. После демонтажа купола и откачки жидкости, скважина длительное время может эксплуатироваться как газодобывающая.
Разработанная автором феноменологическая теория (основы неравновесной механодинамики) механизма саморазрушения
угольного пласта на уровне феноменологии исчерпала себя. Средства моделирования этого неизвестного науке явления, кроме наших незавершенных, пока нам не известны, в том числе и математического моделирования. Создать адекватные условия в лаборатории пока не возможно. Поэтому, мы считаем, что нужно перенести исследования в натурные условия. Автор понимает, что предлагаемый им вариант (рабочая версия) имеет достаточно много неосвещенных (темных) мест. Однако, на промышленное испытание и доведение технологии до кондиции у автора нет средств и сил. В процессе доработки и испытаний должны возникнуть основные вопросы. Решение этих, то есть вопросов управления газодинамическим явлением (ГДЯ), возможно, потребует средств не меньше чем, в свое время, на решение вопросов управления термоядерной реакцией. Хочется верить, что средств потребуется значительно меньше.
Дополнительные исследования потребуются, например, для решения следующих вопросов. Какой прочностью должны обладать площадка, прикрепленная анкерами к земной поверхности, и купол, соединенный с площадкой герметически, чтобы не взлететь над земной поверхностью после инициализации выброса угля и газа в скважину? Каким должно быть противодавление на угольный забой, чтобы исключить нежелательный
преждевременный самозапуск реакции разложения угольного пласта? Каков должен быть химический состав рабочей жидкости, чтобы одновременно решались следующие задачи: 1) не ухудшались прочностные свойства краевой части угольного пласта (хрупкость - способность к саморазрушению; 2) достигалось эффективное глубокое обогащение ЖУС (ВУС); 3) удельный вес жидкости не должен создавать давление, препятствующее инициированию выброса. Какое количество жидкости должно быть в скважине (процент заполнения объема скважины)? Каким должен быть диаметр скважины, чтобы обеспечить пропускную способность достаточную для своевременного удаления продуктов реакции саморазложения (выброса угля и газа) из георектора? Как получить информацию о начале процесса образования техногенных трещин? Если путем регистра-
ции акустической эмиссии, то где расположить геофоны? И многое другое. Например, будет ли полость выброса распространятся вверх по падению пласта выше скважины (см. рис. 1), то есть в области влияния зоны разупрочнения, образовавшейся вокруг скважины и т.п.
Предлагаемая технология (проект) была разработана в 1988-89г.г. и впервые была озвучена автором в ответах на вопросы академика К.Н. Трубецкого на Ученом совете ИПКОН РАН (Научно-методологическом семинаре в ИПКОН РАН 16.12.1992 г.). Материал никогда не докладывался на конференциях, не публиковался в печати и не патентовался. Настоящий текст распространяется свободно (ссылка на автора необязательна, а если еще и будет работать - подарок). С 18.06.2000 г. этот текст, с б'ольшим чем здесь числом рисунков, распространялся среди участников II Международной конференции "Сокращение эмиссии метана" (18-23.06.00 г. Новосибирск -Академгородок), а затем, после ее окончания и по настоящее время, был доступен в Интернет по адресам
www.kuuskraa.newmail.ru и www.massarotto.newmail.ru. Это сервер с бесплатным хостингом и о будущем сайтов говорить (писать), в смысле обещать сложно.
1. Шестопалов А.В. Исследование механизма газодинамических и деформационных процессов в краевой части разрабатываемого угольного пласта. - Сб. Физикотехнические и технологические проблемы разработки и обогащения твердых полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1982. - с.39-44.
2. Шестопалов А.В., Ставровский В.А. Динамика га-зоотдачи разрабатываемого угольного пласта при его искусственной дегазации. - Сб. Прогноз и предотвращение газо-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
проявлений при подземной разработке полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1982. - с.142-157.
3. Шестопалов А.В. Содержался ли газ в угольных пластах, калийных рудах и других горных породах, опасных по внезапным выбросам, до техногенного воздействия на них. - Сб. Материалы Х Межотраслевого координационного совещания по проблемам геодинамической безопасности (г. Екатеринбург, 6-9 октября 1997г.). - Екатеринбург: УГГГА, 1997. - с.243-249.
4. Шестопалов А.В. Концепция геотехнологии промысловой добычи метана и угля исключительно за счет энергии природных сил. - Горный информационноаналитический бюллетень, 1999, N 2. - с. 154-159.
5. Шестопалов А.В. О технологии промысловой добы-
чи метана из угольных пластов. - Сб. Проблемы аэрологии горнодобывающих предприятий. / Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины N 5. -
г.Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - с. 18-21.
6. Шестопалов А.В. Решение проблемы борьбы с динамическими и газодинамическими явлениями при разработке месторождений полезных ископаемых. - Сб. Геотехнологии на рубеже XXI века. / Материалы научнопрактической конференции. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 1999. - с. 149-151.
7. Шестопалов А.В. О неадекватности одномерной модели выброса угля и газа С.А.Христиановича натурным наблюдениям при ее двумерной постановке. - Сб. Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамиче-
ские явления в горных породах и выработках. / Сборник научных трудов IX международной научной школы. - Симферополь: ТНУ, 1999. - с.87-88.
8. Шестопалов А.В. Скважинный способ получения электроэнергии и подтверждение представлений о его механодинамике. - Горный информационно-аналитический бюллетень, 2000, N 5. - с. 134-137.
9. Шестопалов А.В. Об эффективности геотехнологий добычи угольного метана, основанных на образовании полости вокруг скважины. - Сб. Сокращение эмиссии метана: Доклады II Международной конференции (на русском языке). - г.Новосибирск: Издательство СО РАН, 2000. - с.439-445 (A.V.Shestopalov. On efficiency of coal seam methane extraction geotchnologies involving cavity generation around wells. In: Methane mitigation: Proceeding of Second International Conference (June 18-23, 2000, Novosibirsk, Russia). Novosibirsk, SO RAN, 2000. - p.419-422).
-Q
КО
Шестопалов Aнатолuй Bасuльевuч — инженер, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
б
