CC BY
26
СЕМИНАР 6:
СЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА
МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года
^ В.В. Гурьянов, 2000
УДК 622.411.33:553.17:622.333
В.В. Гурьянов
ИТОГИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА «УГЛЕМЕТАН» В 1999 Г. И НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТ
Н
аучно-технический проект («Углеме-тан») является составной частью подпрограммы «Недра России» Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения». Работы по реализации проекта начаты с 1997 года.
Первоначальным календарным планом работ по научнотехническому проекту «Углеметан» на 1999 год предусматривалось выполнение 18 работ. В связи с ухудшением финансирования проекта со П кв. 1999 года (как за счет госбюджета, так и из внебюджетных источников) календарный план был скорректирован. При этом 3 НИР было исключено из плана.
В отчетном году завершено 10 работ, 5 работ переходят на 2000 год.
Исследования и разработки по проекту «Углеметан» в 1999 году, как и в предыдущие годы, проводились по следующим 4-м направлениям:
• геологическому;
• научно-аналитическому;
• производственно-техничес-кому;
• организационно-экологичес-кому. При этом были получены следующие результаты:
По геологическому направлению:
^ Выполнен анализ особенностей сырьевой базы промысловой добычи метана в угольных бассейнах Восточной Сибири и Дальнего Востока.
Обобщение и анализ геологоразведочных данных свидетельствует
о перспективности ряда угольных бассейнов и месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока. Так, прогнозные ресурсы метана в наиболее изученных и частично освоенных угольных бассейнах Восточной Сибири оцениваются в 1350-1500 млрд. м3, в том числе в Южно-Якутском бассейне -900-950 млрд. м3 газа.
В слабо изученных бассейнах (Тунгусский, Ленский, Таймырский) ориентировочный прогноз ресурсов угольного метана составляет 31-32 трлн. м3 газа.
^ Проведены интерпретация и обобщение результатов геологопромысловых исследований Талдин-ской и Новоказанских исследовательских скважин.
Выполненные исследования и анализ геолого-промысло-вых характеристик по Талдинской и Новоказанским исследовательским скважинам позволили получить данные о газоносности угольных пластов изучавшихся площадей, плотности ресурсов метана, метаморфизме углей и проницаемости угольных пластов. Анализ этих данных подтверждает высокую перспективность изучавшихся площадей по организации промышленной (промыс-ловой) добычи угольного метана в этих регионах Кузбасса.
Кроме того, полученные в результате проведенных исследований характеристики строения и свойств углевмещающей толщи пород, позволяют переходить к проектированию и организации опытно-промышленной добычи угольного метана на Талдин-ской и Новоказанской площадях.
По научно-аналитическому направлению:
^ Проведены теоретические и лабораторные исследования механизма существования и распада твердых углегазовых растворов.
В результате выполненных исследований, проведенных под руководством сотрудников ИПКОН РАН Бобина В.А. и Зверева И.В.:
• разработаны методика анализа структурных и физико-химических изменений угля под влиянием внешних термодинамических воздействий, основу которой составляют оценка и определение структурных и вещественных параметров и свойств системы «уголь-метан», а также методика вычисления структурных и энергетических параметров угольного вещества для оценки эффективности силового и теплового видов воздействий на угольный пласт;
• установлено, что структурный параметр угольного вещества (п) является фундаментальным физическим параметром, который остается постоянной величиной независимо от степени метаморфизма и глубины залегания углей и изменяет свое значение при увеличении внешнего давления газа;
• установлено, что трансформация микроструктуры угольного вещества эффективнее всего реализуется для углей, имеющих выход летучих в пределах 4-17,6 %, т.е. для антрацитов, тощих и паровично-спекающихся углей; данный вывод опровергает мнение некоторых специалистов о неперспективности этих марок углей по добыче угольного метана и существенно увеличивает ресурсную базу заблаговременного извлечения (про-мыс-ловой добычи) газа из метаноугольных месторождений;
• установлено, что физически распад твердого газоугольного раствора в угольном веществе определяется процессом реализации энергии межмоле-кулярного отталкивания молекул сорбированного метана, а также, что деструктивные изменения в системе «уголь-газ» при изменении внешнего силового воздействия наблюдаются в виде изменения скелета угольного вещества на микро- и макроуровне, причем эти изменения сопровождаются формированием дисперсных фаз с распадом газоугольных растворов.
Вышеприведенные результаты являются основой формирования рабочей гипотезы о механизме разрушения (деструк-ции) системы «уголь-газ», учитывающей напряженно-дефор-
мированное и газодинамическое состояние угольного пласта, и построения соответствующей математической модели развития этого процесса. ^ Выполнены теоретические исследования газодинамики угольного пласта в природных условиях.
Проведенные сотрудниками ИП-КОН РАН Кузнецовым С.В. и Трофимовым В.А. исследования позволили установить, что газоносные угольные пласты в нетронутом состоянии практически непроницаемы всюду ниже зоны газового выветривания, а формирование газопроницаемых зон в угольных пластах связано в основном с двумя факторами.
Одним из таких факторов является изменение напряженного состояния угольного пласта (при проведении горных выработок, бурении скважин и других внешних воздействий на него). В результате соответствующих деформаций разгрузки и сдвига в угле раскрываются трещины, появляются зазоры между отдельностями и из них формируется достаточно развитая система фильтрационных каналов, связывающих между собой отдельные поры.
Другим фактором, с которым связано формирование и распространение газопроницаемой зоны в угольном пласте, является усадка (сокращение объема) самого угольного вещества в процессе выделения из него сорбированного газа. При этом отдельности, на которые пласт рассечен различными системами трещин, деформируются и при достаточно большой усадке угля между ними увеличиваются и появляются новые зазоры. Из этих зазоров также, как и при разгрузке пласта формируется и развивается система фильтрационных каналов.
Эти исследования позволили разработать модельное представление о развитии деформаций во вмещающих породах при извлечении газа из пласта и методику численного моделирования перераспределения напряжений и деформаций в углевмещающей толще при извлечении газа из пласта. ^ Осуществлено теоретическое и экспериментальное обоснование параметров внеш-него воздействия для интенсификации газоотдачи угольных пластов.
На основе выполненных сотрудниками Ростовского государственного университета под руководством проф.
Труфанова В.Н. теоретических и экспериментальных исследований:
• Предложена термодинамическая феноменологическая модель системы «уголь-газ», использующая реальные физические характеристики угольного пласта - горное давление, температура, модули сжатия угля и вмещающих пород, параметры сорбции, флюидонасыщенность и т.д.
• Разработана и апробирована методика определения энергетического состояния системы «уголь-газ» с учетом всех форм нахождения флюидных компонентов и возможностей достижения метастабильного состояния при различных внешних воздействиях. Показано, что для определенных типов углей в системе возникают метастабильные состояния и происходят фазовые переходы первого рода, сопровождающиеся выделением газа и энергии. Определены области переходов и рассчитаны величины энерго-и газозапаса в метастабильных состояниях.
• Изучены процессы газовыде-ления из углей различных стадий метаморфизма после термического, автоклавного, флюидогенного, электрического, акустического и вибрационно-волнового воздействия на систему «уголь-газ» с целью ее деструкции на молекулярном и надмолекулярном уровнях. С помощью современных приборов и установок получены новые данные о динамике газовыделе-ния из углей, подвергшихся отмеченным выше вариантам их активации, исследованы твердые, жидкие и газообразные продукты деструкции угольного вещества.
Проведенные исследования показывают, что интенсификация процессов газовыделения из углей может быть достигнута практически при любом из выбранных методов воздействия, но эффективность такого воздействия значительно различается по необходимой энергии активации и получаемому в итоге составу выделяющихся газов. Кроме того установлено, что в реальных условиях промышленного извлечения метана из угольных пластов технологическое решение предполагаемых методов воздействия будет зависеть от степени предварительного флюидогенного преобразования угольного вещества под влиянием конкретных термобарогеохимических факторов.
^ Выполнены экспериментальные исследования влияния виброволнового воздействия на интенсивность газо-отдачи углей.
Проведенные в МГГУ под руководством проф. Васючкова Ю.Ф. эксперименты по изучению влияния воздействия вибрации на основные марки углей Кузнецкого, Печорского угольных бассейнов и Восточного Донбасса (Г, Ж, К и А) доказали принципиальную возможность и перспективность вибрационно-волнового воздействия на угольные пласты с целью повышения их газоотдачи.
При этом было установлено, что:
• увеличение амплитуды колебаний способствует значительному (до 5-7 раз) увеличению естественной газоот-дачи сухого угля;
• частота колебаний в диапазоне 3050 Гц оказывает наибольшее стимулирующее влияние на газоотдачу угля;
• наибольшее влияние механической вибрации на газоотдачу отмечено на углях марок Ж и А, что связано с особенностями петрографического и порового строения углей этих марок.
По производственно-техническому направлению:
^ Осуществлена разработка технологических схем пневмогидровоздействия на массив и проведено их исследование в натурных условиях.
На базе анализа и обобщения теоретических, лабораторных и шахтных натурных испытаний, проведенных специалистами МГГУ под руководством проф. Сластунова С.В. более чем на 10-ти шахтных полях Карагандинского и Донецкого бассейна, разработан ряд перспективных технологических схем извлечения угольного метана для различных горногеологических и горнотехнических условий.
На поле шахты им. Ленина в Карагандинском бассейне исследованы новые технологии: с использованием режима кавитации (кавернообразова-ние в призабойной зоне и циклические знакопеременные пневмогидро-импульсные воздействия) и некоторые другие.
Разработан техно-рабочий проект на извлечение метана путем пневмогидровоздействия при совершенном вскрытии угольного пласта в режиме кавитации (для условий экспериментального полигона на поле шахты им. Ленина в Караганде).
Разработан техно-рабочий проект извлечения метана из свиты угольных пластов на поле шахты «Комсомольская ОАО «Воркутауголь» с использованием циклического гидропневмо-импульсного воздействия при традиционном вскрытии пласта для условий опытно-промыш-ленного полигона МГГУ на поле доразведки донной части Воркутинского месторождения.
В проекте обоснована технологическая схема и разработаны параметры гидропневмоимпульсного воздействия на свиту угольных пластов с целью интенсификации метаноотдачи. Предложена рабочая жидкость для гидрорасчленения угольных пластов на поле доразведки шахты «Комсомольская ОАО «Воркутауголь».
^ Проведена разработка геологического и технико-эконо-мического обоснования возможных вариантов создания опытно-промышленного полигона по заблаговременному извлечению метана из угольных месторождений и его параметров, осуществлен выбор рациональных вариантов создания полигонов.
Разработка и анализ геологических и технико-экономи-ческих обоснований возможных вариантов создания опытно-промышленных полигонов в основных угольных бассейнах России позволили рекомендовать их сооружение на 5 участках: Краснодонецком угольном месторождении Восточного Донбасса, Томской площади Усть-Усинского района Кузбасса, Талдинской площади Ерунаков-ского района Кузбасса, в Центральном районе Кузбасса ( шахта «Комсомолец») и на Воркутском месторождении (шахта « Комсомольская») Печорского угольного бассейна.
По организационно-эколо-
гическому направлению:
^ - Проведена оценка экологической опасности заблаговременного извлечения (добычи) метана из угольных пластов с применением специальных методов воздействия на углевмещающую толщу.
Основным результатом выполненных в ИПКОН РАН исследований является доказательство возможности
количественных оценок воздействия бурения скважин на метан и их промышленной эксплуатации на окружающую среду по всем основным факторам.
Разработана методика экологической оценки влияния добычи метана из угольных пластов на окружающую среду, включающая компьютерную имитационную модель технологии скважинной добычи метана, а также автоматизированные системы идентификации объектов-загрязнителей окружающей среды, оценки техногенной нагрузки на атмосферный воздух и поверхностные водные источники, оценки экологической опасности и техногенного воздействия на эти природные среды. Указанная методика обеспечивает выполнение необходимых расчетов с учетом всех основных влияющих факторов (гео-логи-ческих, горнотехнических, производственных, географо-
климатических).
Полученные результаты позволили обосновать рекомендации по экологически безопасному применению новых технологий заблаговременного извлечения (добычи) метана из угольных пластов в соответствующих горногеологических и природноклиматических условиях.
В связи с существенными изменениями, произошедшими за 19971999 годы, в составе организаций-заказчиков работ по проекту «Уг-леметан» (ОАО «Росуголь», Минтопэнерго РФ и др.), в источниках и организации финансирования НИР, а также необходимостью конкретизации направлений работ на последующие годы, ИПКОН РАН по согласованию с основными организа-циями-исполни-телями проекта разработал и представил в Миннауки России уточненную программу работ на период 2000-2002 гг.
Указанная программа предусматривает выполнение следующих работ:
1. Проведение геологических и исследовательских работ в разведочных и тестовых скважинах в Кузбассе по определению геолого-промысловых характеристик угольных пластов.
2. Разработка, согласование и утверждение методики подсчета запасов метана в угольных пластах для его промысловой добычи на метаноугольных месторождениях.
3. Исследование влияния диффузионно-кинетических параметров углей на интенсивность газоотдачи угольных пластов с учетом горно-геологи-ческих факторов.
4. Исследование напряженно-деформированного состояния горного массива при извлечении флюидов из угольных месторождений и влияния его изменения на газоотдачу пластов.
5. Обоснование возможности и целесообразности использования скважин с горизонтальным окончанием ствола для промысловой добычи газа из метаноугольных месторождений.
6. Разработка методики оценки способности угольных пластов к газо-отдаче.
7. Разработка методических указаний по выбору техногенных воздействий для интенсификации газоотдачи угольных пластов.
8. Разработка методических основ проектирования заблаговременного извлечения (до-бычи) метана из высокогазоносных угольных пластов.
9. Опытно-промышленная проверка в условиях Краснодонецкого полигона (Восточ-ный Донбасс) и полигона на шахте «Комсомолец» (цен-траль-ный район Кузбасса) перспективных технологий заблаговременного извлечения (добы-чи) метана угольных пластов с применением специальных методов воздействия на горный массив.
Реализация этой программы работ создаст необходимые предпосылки к организации широкомасштабных опытно-промышленных работ по освоению значительных ресурсов угольного метана в нашей стране и первоочередному обеспечению новым видом газового топлива таких регионов как Кемеровская область, Ростовская область и Воркутинский район республики Коми, испытывающих острый дефицит в этом виде топлива.
Гурьянов, Владимир Васильевич профессор, докюр технических наук, Инсшт комплексною освоения недр РАН.
