CC BY
31
Московский государственный горный университет
99"
СЕМИНАР 3
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА | МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
Ц : ^ Ю.Н. Малышев, К.Н. Трубецкой,
I: I: I: В.В. Гурьянов, Н.Г. Матвиенко,
!; !; !; !; ::2000
УДК 622.411.33
Ю.Н. Малышев, К.Н. Трубецкой,
В.В. Гурьянов, Н.Г. Матвиенко
К ВОПРОСУ О ПРОМЫШЛЕННОМ ОСВОЕНИИ
пслх/плло х/глпьилгл влгтл и л о плллмм
последние годы ученые-горняки и производственники нашей страны, несмотря на серьезные экономические и организационные трудности, острейший дефицит средств на исследования и разработки, различные точки зрения на решение проблемы заблаговременного извлечения (добычи) угольного метана в России, заложили основы промышленного освоения его ресурсов[1 - 3].
За этот период сделан видимый шаг вперед от разрозненных исследований частных вопросов этой проблемы к ее скоординированной разработке на государственном уровне, началу экспериментальных и опытно- промышленных работ по промысловой добыче газа из угольных месторождений [4]. Также создана крупная производственная структура по освоению ресурсов угольного метана в России - ЗАО «Метан Кузбасса», привлечено внимание правительственных органов и администрации ряда регионов России, прежде всего Кемеровской области, к вопросу необходимости промышленного освоения огромных ресурсов этого уникального вида топлива и сырья.
Результаты выполненных исследований и осуществленных организационнотехнических мероприятий в этой области способствовали выработке решения, принятого Минтопэнерго РФ в 1998 году, по разработке отраслевой научнотехнической программы по подготовке к промышленному освоению ресурсов метана угольных месторождений Кузбасса.
В связи с переходом рассматриваемой проблемы в практическую плоскость необходимо проанализировать проведенную работу по созданию научного
задела в этой области, определить первоочередные ыдачи дальней шеСй ра зви I ия
исследований и разработок, рассмотреть некоторые организационнометодические вопросы, возникающие в процессе решения проблемы освоения ресурсов угольного метана в России.
Из достаточно большого комплекса выполненных работ по геологическому обоснованию возможных перспектив освоения ресурсов угольного метана особо следует отметить исследования сырьевой базы промысловой добычи метана из угольных месторождений, разработку типизации метано-угольных месторождений по их геологическим особенностям, ресурсам метана и перспективам его промысловой добычи, а также результаты геологических и газодинамических исследований глубоких разведочных (тестовых) скважин, пробуренных в 1997-1998 годах в Кузбассе.
Анализ геологических материалов по газоносности угольных месторождений России позволил оценить прогнозные ресурсы метана в угольных пластах. Их величина превышает 49 трл. куб. м газа, что составляет около 45% мировых запасов (113 трл. куб. м) угольного метана [5, 6].
Особое, весьма важное значение в оценке перспектив и возможных масштабов промышленного освоения ресурсов угольного метана в Кузбассе имеют результаты работ, проводимых ЗАО «Метан Кузбасса» с участием ряда геологоразведочных и других организаций по бурению, геологическим, геофизическим и промысловым исследованиям глубоких разведочных (тестовых) скважин на перспективных площадях Кузбасса.
В 1997 году на Талдинской площади завершены исследования первой пилотной керновой скважины - Талдинской глубокой № 16116 глубиной 1340 м. Проведенные исследования подтвердили геологическую обоснованность проектного разреза кольчугинской серии, ее угленосности, характеристик пластов, качество углей, их метаноносность. Тем самым доказана достоверность и правомерность прогнозирования до глубины 1,5-1,8 км параметров угленосности и газоносности углевмещающих толщ Кузбасса на основе данных по ранее пробуренным скважинам глубиной 400-600 м.
Этой скважиной вскрыто 27 угольных пластов мощностью более 1 м, суммарная мощность только пачек чистого угля которых составляет 78,4 м. Метано-носность углей колеблется в зависимости от глубины залегания пластов от 6-7 куб. м/т с. б. м до 22-26 куб. м/т с. б. м, а газовое давление от 3,4 МПа (на глубине 380 м) до 13,2 МПа (на глубине 1200 м). По петрографическому составу и степени метаморфизма эти угли являются наиболее перспективными для добычи метана. Исследование скважины показало повышенную проницаемость пластов. При испытаниях угольных пластов в скважине № 16116 были получены притоки воды с газом (на глубинах до 500 м), а на более глубоких горизонтах - притоки «сухого» газа (метана).
В 1998 году пробурена на глубину 1355 м, опробована и исследована пилотная керновая скважина на Нарынско-Осташ-кинской площади - Новоказанская № 16140. Вопреки скептическим прогнозам угленосность толщи, вскрытой этой скважиной, оказалась более высокой (119 м), чем по Талдинской разведочной скважине. Г еолого-газопромыс-ловые характеристики угольных пластов, вскрытых скважиной № 16140, также оказались высокими.
Полученные геологоразведочные данные позволили составить проект и программу исследований газодинамических, фильтрационных и углегазопромысловых характеристик угленосной толщи в опытно-промышленной скважине Тал-динская № 1 (УМ), заложенной рядом с керновой скважиной № 16116. Проектная глубина скважины - 1800 м, диаметр 324-146 мм. По состоянию на 1.12.98 г. глубина скважины составила 1215 м. Проектом исследовательских работ по этой скважине для интенсификации га-
Г орный информационно-аналитический бюллетень
Л®1
зоотдачи пластов предусмотрено применение технологии гидродинамического импульсного воздействия на угольные пласты с кавернообразованием (кавитация в необсаженном стволе) и технологии гидроразрыва угольных пластов в обсаженном стволе. Намечается проводить эти исследования по 6 группам угольных пластов суммарной мощностью от 6 до 14 м в интервалах разреза от 375 до 1660 м.
При испытании первой группы пластов отмечалось выделение метана, при этом давление газа на устье скважины достигало 3 атм. В интервале глубин 560-780 м в угольных пластах второй продуктивной группы отмечено уменьшение притоков воды и получен приток метана с давлением газа на устье скважины в 6-12 атм.
Анализ ресурсов метана угольных месторождений и оценка потребности регионов России в этом виде топлива позволили разработать обоснование целесообразности создания опытнопромышленных полигонов по заблаговременному извлечению (промысловой добыче) метана из угольных месторождений нашей страны.
Полигоны предназначены для опытной проверки новых технологий заблаговременного извлечения (промысловой добычи) газа из угольных месторождений и последующего промышленного освоения ресурсов угольного метана с их применением на выбранных участках Кузнецкого и Печорского угольных бассейнов, а также Восточного Донбасса.
Участки для полигонов выбирались по специально разработанной методике геологического и технико-
экономического обоснования создания опытно-про-мышленного полигона.
В результате проведенных исследований обосновано создание следующих опытно-промышлен-ных полигонов по заблаговременному извлечению (про-мысло-вой добыче) метана из угольных месторождений:
• на Талдинской площади Ерунаков-ского района Кузбасса;
• на Томской площади Усть-Усинского района Кузбасса;
• в центральном районе Кузбасса (поле шахты «Комсомолец»);
• на Воркутском месторождении Печорского угольного бассейна (поле шахты «Комсомольская»);
• на Краснодонецком угольном месторождении Восточного Донбасса.
Выявлена заинтересованность администрации, производственных и коммерческих организаций в освоении ресурсов угольного метана на этих участках, подтвержденная соответствующими Декларациями о намерениях, оформленными в соответствии с установленным порядком (СП 11-101-95).
Освоение этих полигонов позволит вовлечь в хозяйственное использование более 20 млрд. м3 угольного метана и обеспечить годовую добычу в объеме 1015 млн. м3 газового топлива.
Анализ имеющегося научнотехнического задела в области извлечения (добычи) метана из угольных месторождений свидетельствует о том, что современный период развития этой проблемы в России продолжает оставаться периодом накопления научных знаний и решения некоторых технологических задач.
Следует отметить, что в предыдущие два десятилетия, исходя из посылки об очень низкой проницаемости неразгруженных угольных пластов и нахождения метана в угольных месторождениях в тесной сорбционной связи с угольным веществом, преимущественно в форме твердого углегазового раствора, основные исследования по проблеме заблаговременного извлечения метана из углевмещающей толщи были направлены на обоснование и разработку перспективных методов искусственного повышения газо-отдачи угольных пластов [1, 2].
Исходя из изложенного можно сделать вывод, что для осуществления промышленной добычи угольного метана необходимо расширение и углубление исследований по ранее определенным направлениям в силу большого разнообразия горно-геологи-ческих и газодинамических условий залегания и характеристик метаноугольных месторождений. Кроме того, необходима разработка ряда новых задач, до сих пор не встречавшихся исследователям проблемы заблаговременного извлечения метана из угольных месторождений. Некоторые из этих задач обозначены в проекте «Углеметан», другие - выявлены в процессе проводившихся исследований и экспериментов.
В числе важнейших направлений исследований и технологических разработок, необходимых для осуществления промышленной добычи метана из угольных месторождений России, следует выделить:
• фундаментальные исследования закономерностей существования и распада природной системы «уголь-газ», а также физических процессов газоотдачи угольных пластов;
• комплекс прикладных НИОКР, необходимых для обеспечения промышленного освоения ресурсов метана угольных месторождений России, и, прежде всего Кузбасса.
Исследования показали, что физическая сущность известных способов интенсификации газоотдачи пластов заключается в целенаправленном изменении свойств системы «уголь-метан», позволяющем переводить ее в новое, мета-стабильное состояние. Отсюда вытекает, что весьма перспективным направлением НИР, раскрывающим физическую основу добычи метана из неразгруженных угольных пластов, является исследование процесса трансформации газонасыщенного угольного вещества на микро- и макро- уровнях строения системы «уголь-метан». Сложность строения и многообразие свойств и характеристик этой системы требуют дальнейшего развития исследований по изучению ее природы, определению термодинамических условий распада, структурнохимических и физических преобразований в процессе разрушения этой природной системы.
Из практики разработки традиционных газовых месторождений известно, что отбор газа из недр приводит к деформированию горного массива, проявляющегося, в частности, в просадках земной поверхности. Кроме того, лабораторные и промысловые исследования указывают на изменение проницаемости пласта при его деформировании [7].
Углеметановые месторождения
обычно представляют из себя мощные толщи пород, включающие большое количество газонасыщенных угольных пластов и пропластков. Очевидно, что при отборе газа из таких месторождений будет существенно нарушаться первоначальное напряженно-деформированное состояние горного массива и проявляться своеобразный эффект подработки-надработки угольных пластов, что может оказать определенное влияние на их проницаемость и газоотдачу.
Механизм деформирования неразгруженных углевмещающих толщ при извлечении из них газа до последнего времени не изучался. Установление закономерностей изменения напряженно-
деформированного состояния такого массива в зависимости от порядка отбора газа из угольных пластов позволит разработать оптимальные способы вскрытия и системы разработки метаноугольных месторождений, обеспечивающие максимальное извлечение газа из недр и высокие дебиты газодобычных скважин.
В 1998 году Минтопэнерго РФ приняло решение о формировании научнотехнической програм-мы по освоению ресурсов метана угольных месторождений Кузбасса, основу которой должен составить комплекс прикладных исследований и разработок, направленных на обеспечение промышленного освоения этих ресурсов.
Учитывая отсутствие в России практического опыта по промышленному извлечению газа из метаноугольных месторождений, особую актуальность приобретает необходимость создания теории проектирования промысловой добычи газа из таких месторождений.
Изучение и анализ существующей теории и практики разработки традиционных месторождений природного газа [7,8] показали, что они могут служить основой для разработки методологии проектирования и организации промысловой добычи газа из метаноугольных месторождений. При этом потребуется проведение специальных научно-исследова-тельских работ по оценке специфики этих месторождений и ее влияния на выбор способов вскрытия, систем разработки и организации добычи газа, а также определению их основных параметров.
Значительное место в указанной программе должно быть отведено исследованиям и разработкам, ориентированным на создание новых и совершенствование существующих технологий промысловой добычи угольного метана.
Анализ результатов исследований и опыта применения различных схем подземной дегазации шахт показал, что наибольшую эффективность предварительной дегазации обеспечивают скважины, пробуренные по угольному пласту. Эффективность этих скважин в сравнении с вертикальными определяется тем, что они пересекают практически все системы природных трещин и дренаж метана ведется по всей их сети. Пропускная способность такой системы трещин еще
больше увеличивается при применении специальных воздействий на пласт.
Учитывая специфику метаноугольных месторождений и особенности процесса газоотдачи неразгруженных угольных пластов, можно полагать, что их вскрытие и подготовка для промышленной добычи метана с применением пластовых скважин позволит значительно интенсифицировать газоотдачу пластов и обеспечить высокие притоки газа.
Проведенная оценка результатов исследований и экспериментов по извлечению метана из углевмещающей толщи с использованием скважин сложного профиля, обобщение результатов исследований и практического опыта по строительству и применению таких скважин для добычи нефти и газа [9, 10], а также анализ особенностей процесса дегазации высокогазоносных угольных пластов с применением пластовых скважин свидетельствуют о технической возможности и перспективности применения скважин с горизонтальным окончанием ствола для промысловой добычи газа из метаноугольных месторождений.
Положительные результаты экспериментов, проведенных в США, свидетельствуют также, что в определенных условиях могут оказаться эффективными способы вскрытия и подготовки метаноугольных месторождений для промышленной добычи метана, основанные на применении вертикальных стволов или вертикальных скважин большого диаметра, из которых бурятся соответствующие системы пластовых скважин.
Все это подтверждает необходимость проведения соответствующих исследований и разработок по определению эффективности и области применения указанных способов извлечения газа из метаноугольных месторождений.
В мировой практике инновационной деятельности принято всякий крупный исследовательский проект (направление НИОКР) завершать разработкой и осуществлением соответствующего демонстрационного проекта, показывающего эффективность и перспективы применения (использования) созданного новшества. Так, например, в подпрограмме «Технология более чистого и более эффективного производства и потребления энергии» (в составе «Четвертой рамочной программы ЕС») состоящей из трех направлений, в т.ч. «Ископаемые виды топлива», предусмотрено осуществление
демонстрационных проектов по каждому из направлений.
Разработка и осуществление такого демонстрационного проекта на одном из рекомендуемых полигонов позволит показать возможность и экономическую целесообразность промысловой добычи угольного метана, продемонстрировать работоспособность и сравнить эффективность различных технологий извлечения метана, а также провести комплекс работ, предусмотренных программой подготовки исходных данных для проектирования промышленного освоения соответствующего метаноугольного месторождения.
Разработка и последующая реализация вышеназванной программы Минтопэнерго РФ, имеющей межотраслевой характер, потребуют и соответствующего научно-методического и организационного обеспечения. Одним из вариантов решения этой задачи было бы создание Научнометодического совета Минтопэнерго РФ и Академии горных наук (АГН) по проблеме промышленного освоения ресурсов угольного метана в России на базе действующего Проблемного совета АГН по вопросам заблаговременного извлечения метана из угольных месторождений, созданного в 1996 году для координации НИОКР по научнотехническому проекту «Углеметан».
Опыт организации и проведения НИР по заблаговременному извлечению метана из угольных пластов, проектирования и проведения экспериментальных и опытно-промышленных работ по промысловой добыче угольного метана свидетельствует о необходимости подготовки специалистов нового профиля: горных инженеров по добыче газа из метаноугольных месторождений. Потребность в этой категории работников определяется огромными ресурсами угольного метана в России и хорошими перспективами развития новой «углеметановой» подотрасли в энергетике нашей страны.
На первом этапе подготовку таких специалистов можно было бы организовать по программе повышения квалификации или переподготовки горных инженеров-угольщиков и инженеров по разработке нефтяных и газовых месторождений с последующим созданием соответствующей кафедры, например, в Московском государственном горном университете или Россий-
Г орный информационно-аналитический бюллетень
Л®1
ской государственной академии нефти и газа имени акад. И.М. Губкина.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. М.: Недра. 1979. 271 с.
2. Сластунов С.С. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. М.: Изд-во МГГУ. 1996. 441 с.
3. Пучков Л.А. Реальность промысловой добычи метана из неразгруженных угольных пластов. М.: Изд-во МГГУ. 1996. 23 с.
4. Зимаков БМ., Матвиенко Н.Г., Козловский ЕА. и др. Перспективы промысловой добычи метана из угольных пластов России. Сб. «Горная промышленность России на рубеже ХХ-ХХ1 веков». Международная конференция 15-17 ноября 1994г. М.: ИГД им. А.А. Скочинского. 1995. с. 140-151.
5. Global Report provides Yuide to Methane Resources in Coal Deposits. Coal International, - 1998. - 246, .№1-
6. Гурьянов В.В. О сущности концепции научно-технического проекта «Углеметан». Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: 1997. вып.6. с. 171-175.
7. Закиров С.Н. Теория и проектирование разработки газовых и газоконденсатных месторождений. М.: Недра. 1989.
8. Временный регламент составления проектов ОПЭ и разработки газовых и газоконденсатных месторождений, разрабатываемых на истощение. М.: ВНИИГАЗ. 1990. 103 с.
9. Мнацаканов А.В., Оганов А.С. Техника и технология бурения горизонтальных скважин. // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. N° 10-11. 1996. с.2-11.
10. Материалы II Международного семинара «Горизон-тальные скважины» (27 - 28 ноября 1997 г.) М.: Государственная Академия нефти и газа им. И.М. Губкина.
Ш
7
Малышев, Юрии Николаевич ч.іен-корресіїондені РАН, профессор, докіор іехниче-
ских наук.
Трубецкои Климент Нико лаевич академик РАН, профессор, докюр технических нау к, ди-рекчор Института проблем комплексною освоения недр РАН.
Гурьянов, Владимир Васильевич профессор, докюр технических наук, Институт проблем комплексною освоения недр РАН.
Матвиенко Н.Г. профессор, Институт проблем комплексною освоения недр РАН.
У
