CC BY
42
СЕМИНАР 5
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© В.В. Гурьянов, 2001
'-ч ---
УДК 622.411.33
В.В.Гурьянов
НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УГЛЕВМЕЩАЮЩЕЙ ТОЛЩЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ИЗВЛЕЧЕНИИ МЕТАНА ИЗ НЕРАЗГРУЖЕННЫХ ПЛАСТОВ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ИХ ПРОВЕДЕНИЮ
З
а последние 5 лет состояние проблемы добычи метана из неразгруженных угольных пластов в мире и России существенно изменилось.
Если в 1995 году добыча угольного метана в промышленных масштабах осуществлялась только в США, то в настоящее время она начата в Австралии и Китае, интенсивно ведется подготовка к ее развертыванию в Индии, научные исследования и эксперименты проводятся на Украине, Канаде, Франции, Германии, Японии, Польше, Великобритании и ряде других стран [14].
Вопреки прогнозам некоторых российских специалистов объем добычи метана из неразгруженных угольных пластов не снижается, а неуклонно наращивается, приблизившись в настоящее время к 40 млрд м3 в год. Правительство и заинтересованные фирмы США продолжают работы по поиску новых, более эффективных («высоких») технологий извлечения метана из углевмещающих толщ [5-7]. При этом прогнозируется многократное увеличение объемов добычи угольного метана к 2020 году.
Серьезные изменения в этом вопросе произошли и в России:
• проработан ряд важных аспектов проблемы добычи метана из неразгруженных угольных пластов, создан серьезный научный, методический и технологический задел по ее решению;
• обоснован и находится в
стадии реализации ряд направлений развития исследований и разработок в этой области: проект «Углеметан»
(Минпромнау-ки РФ), программа фундаментальных исследований по проблеме промысловой добычи угольного метана в соответствии с соглашением между РАН и ОАО «Газпром», намечаемый Минпромнауки РФ конкурс НИР по этой проблеме на 2002-2005 гг. и, наконец, аналогичный конкурс Минвуза - РАО «Газпрома»;
• принят ряд важных решений по практическому осуществлению добычи метана из угольных пластов (создание ОАО «Кузбассгазпром» на основе ЗАО «Метан Кузбасса» с целью развития работ по промышленной добыче угольного метана в Кузбассе и доведения ее к 2010 году до 18-20 млрд м3 в год при вложении на эти цели ~ 400-450 млн долларов [8]; начало практических работ по освоению Краснодонецкого полигона (Ростовская обл.) по заблаговременному извлечению метана из угольных пластов).
Переход к широкомасштабной научной разработке и практической реализации проблемы заблаговременного извлечения (промысловой добычи) метана угольных пластов (МУП) требует обоснования перспективных направлений развития работ и выбора путей их осуществления.
Одним из важнейших направлений в комплексе названных работ следует считать проведение исследований геомеханических процессов, происходящих в углевмещающей толще горных пород при извлечении метана из неразгруженных пластов. Насколько нам известно, механизм и закономерности деформирования углевмещающих толщ при извлечении из них флюидов (газа и воды) ранее не изучались.
Необходимость проведения указанных исследований вытекает из следующих данных и соображений:
1. Анализ результатов исследования геодинамики массива горных пород и характеристик коллекторов при разработке традиционных месторождений природных газов [9] и их сравнение
с результатами аналогичных исследований применительно к подземной разработке угольных месторождений [10] свидетельствуют об их определенной схожести:
• структура и проницаемость угольных пластов позволяют считать их природными коллекторами газа;
• идентичность негативных последствий изменения напряженно-деформи-рованного состояния массива горных пород при подземной разработке угольных месторождений и добыче природного газа свидетельствует об однообразии механизмов деформирования массива горных пород при разработке этих месторождений полезных ископаемых.
2. Опыт промышленной добычи МУП в США и данные экспериментов [11], проводившихся в России, свидетельствуют, что при извлечении флюидов из скважин и прилегающих к ним горных пород [12] происходит изменение напряженно-деформи-рованного состояния углевмещающей толщи и коллекторских свойств угольного пласта, выражающихся, в частности, в существенном увеличении замеренной проницаемости угольных пластов в сравнении с расчетной, а также в обеспечении, в большинстве случаев, весьма длительного функционирования добычных скважин.
3. Многообразие и сложность геологического строения большинства метаноугольных месторождений, включающих десятки газонасыщенных угольных пластов и пропластков, большое количество различных горнотехнических факторов, влияющих на характер изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) углевмещающих толщ при извлечении метана из угольных пластов говорят о том, что без знания закономерностей изменения НДС горного массива при извлечении газа из угольных пластов эффективное освоение метаноугольных месторождений по промышленной добыче угольного метана практически невозможно.
Вышеизложенные доводы легли в основу первоочередных исследований геомеханических процессов, происходящих в горном массиве при извлечении метана из угольных пластов, начатых в 1999 году специалистами ИПКОН РАН с привлечением коллег из ВНИМИ в рамках научнотехнического проекта «Углеметан» и включающих комплекс соответствующих аналитических и теоретических исследований компьютерного и
физического моделирования (с применением эквивалентных материалов).
В результате выполненных теоретических исследований [13] было установлено, что при извлечении метана из угольных пластов, которые являются трещинно-пористыми коллекторами, содержащими большое количество газа при высоком давлении, существенно снижается давление газа в зонах дегазации и в них происходит соответствующее перераспределение напряжений с образованием зон разгрузки и пригрузки. При этом в результате десорбции метана и снижении его давления в зонах дегазации (разгрузки) происходит усадка угля и соответствующее уменьшение мощности пласта. По предварительным оценкам относительное уменьшение объема угля может достигать 2-3 %. Это вызывает перераспределение напряжений в горном массиве и деформацию пород, обуславливая тем самым изменение фильтрационных характеристик смежных угольных пластов свиты.
Результаты указанных работ позволили сформулировать следующие гипотезы:
1. Схожесть характера сдвижения горного массива и закономерностей изменения его напряженно-деформированного состояния при разработке традиционных газовых месторождений, подземной угледобыче и заблаговременном извлечении (добычи) метана из угольных пластов.
2. При заблаговременном извлечении (добыче) метана из угольных пластов вследствие десорбции газа, снижении его давления и усадке пласта происходит перераспределение напряжений в углевмещающей толще с образованием зон разгрузки и пригрузки, обуславливая изменение коллекторских свойств в смежных пластах свиты, т.е. возникает эффект «подработки-надработки».
Предполагается, что в зонах разгрузки картина деформирования слоев пород аналогична характеру их деформирования в зонах И-1У (а в особых случаях и зоне I) при подземной разработке свиты угольных пластов.
Также были выявлены следующие факторы, влияющие на изменение НДС пород горного массива при извлечении из них флюидов:
1. Мощность толщи.
2. Г лубина залегания.
3. Угол падения.
4. Строение углевмещающей толщи, состав и свойства слагающих ее породных слоев.
5. Степень отбора флюидов, определяющих усадку газоносного пласта и (или) водонасыщенного слоя пород.
6. Порядок извлечения из углевмещающей толщи воды из водоносных слоев пород и метана из угольных пластов (нисходящий, восходящий, комбинированный).
7. Порядок расположения скважин относительно залегания пород углевмещающей толщи (вертикально, перпендикулярно наплостованию, по наплостованию).
Указанные данные были приняты за основу при разработке программ физического и компьютерного моделирования геомеханических процессов.
Для обоснования этих программ было осуществлено обобщение данных детальной геологической разведки 13 высокогазоносных угольных месторождений Кузнецкого и Печорского бассейнов.
Выполненное обоснование позволяет сделать вывод, что основная часть углеметановых месторождений Кузнецкого и Печорского угольных бассейнов представляет из себя мощные углевмещающие толщи (многие сотни метров), сложенные десятками угольных пластов и пропласт-ков мощностью до 10,85 м в основном пологого и наклонного залегания с высотой (до 36,9 м3/т.с.б.м) метаноносностью.
Углевмещающие толщи практически всех анализировавшихся участков имеют в своем составе водоносные горизонты, приуроченные, как правило, к породам кровли угольных пластов. Количество водоносных горизонтов, мощность обводненных пород, режим подземных вод и их удельный дебит различаются по участкам.
Анализ геологического строения основных высокогазоносных углевмещающих толщ Кузбасса и Печоры и важнейших факторов, влияющих на закономерности проявления геомеханиче-ских процессов при извлечении из них флюидов, позволил разработать следующий комплекс первоочередных задач физического и компьютерного моделирования этих процессов.
1. Моделирование «усадки» (Ат) пологих угольных пластов различной мощности, залегающих на глубине 600м, при разной степени отбора метана.
2. Моделирование влияния глубины залегания «отрабатываемого» (дегазируемого) пласта сред-
ней мощности (т = 3 м) на его усадку при различной степени отбора метана.
3. Моделирование сдвижения углевмещающей толщи и оценка «уровня» разгрузки слагающих ее слоистых пород средней мощности и прочности в зависимости от глубины залегания одиночного дегазируемого пласта и величины «рабочих» значений Ат.
4. Моделирование сдвижения углевмещающей толщи и оценка степени разгрузки слагающих ее слоев пород и угольных пластов для различных структур горного массива и различной усадке дегазируемого пласта.
5. Моделирование сдвижения углевмещающей толщи, сложенной слоями пород средней мощности и прочности и оценка степени разгрузки слагающих ее горных пород при различной усадке дегазируемых пластов и разном порядке их «отработки» (восходящем, нисходящем, одновременном).
6. Моделирование сдвижения углевмещающей толщи мощностью 300-400 м, сложенной слоями пород средней мощности и прочности, включая 5-6 угольных пластов, и оценка «степени» разгрузки слоев пород и угольных пластов при различной усадке дегазируемых пластов и разном расположении скважин относительно залегания пород (вертикально, перпендикулярно напластованию, в плоскости угольного пласта).
При этом мощность дегазируемых пластов принималась равной 1, 3, 6, и 10 м; степень отбора метана - 10 %, 30 % 50 % и 80 %; глубина залегания «рабочего» пласта - 300 м, 600 м, 900 м, 1300 м и 1800 м.
Целью указанных исследований является установление качественной картины сдвижения углевмещающих толщ различного строения при извлечении из них флюидов в зависимости от изменения горно-геологических и техногенных факторов и проверка сформулированных гипотез и основных положений геомеханических основ заблаговременного извлечения (про-мысловой добычи) МУП.
Учитывая, что лабораторных исследований по физическому моделированию напряженно-деформированного (геомехни-ческого) состояния угленосной толщи при извлечении газа из угольных пластов ранее не проводилось, был выполнен комплекс предварительных экспериментов по выбору рациональных методов проведения указанных исследований.
Результаты экспериментов показали, что наиболее информативным для решения намеченных задач является моделирование с применением эквивалентных материалов (ЭМ).
В связи с отсутствием опыта лабораторных исследований геомеханического состояния углевмещающей толщи (горного массива) при извлечении газа из угольных пластов было выбрано и опробовано на моделях 3 варианта эквивалентных материалов для имитации газоносного пласта, обеспечивающих моделирование процесса его газоотдачи.
Наиболее точной, максимально приближенной к целям данной работы, оказалась методика моделирования газоносного пласта с использованием кристаллогидратных солей. Однако, учитывая ее сложность и дороговизну, пришлось выбирать другой метод. В результате была разработана оригинальная методика воспроизведения «усадки» пласта и зоны влияния дегазационной скважины путем применения вальцмассы с модулем деформации, регулируемым в соответствии со степенью дегазации пласта.
На основе этой методики были изготовлены и отработаны три модели, имитировавшие полого-залегающую углевмещающую толщу с различными параметрами (глубина залегания, количество и мощность высокогазоносных пластов, структура и свойства горных пород).
Первый этап экспериментов, проведенных на этих моделях, подтвердил предположение о возможности получения качественной картины сдвижения горных пород при извлечении газа из угольных пластов и определения параметров зон разгрузки и пригрузки пластов толщи, влияющих на газоотдающую способность угольных пластов. Эти исследования будут продолжены в 2001 году.
Проведенные ранее в рамках проекта «Угле-метан» теоретические исследования газодинамики угольного пласта в природных условиях позволили обосновать возможность применения компьютерных моделей для оценки изменения напряженно-деформированного состояния углевмещающей толщи при извлечении из нее флюидов.
Выполненные исследования с использованием компьютерных моделей позволили установить, что процессы истечения газа из угольного пласта в скважину и деформирования вмещающих горных пород являются взаимосвязанными и определяющими друг друга. С одной стороны, усадка
пласта и соответствующее оседание его кровли обусловлены распределением давления газа в пределах дегазированной области, т.е. фильтрационным массопереносом. С другой стороны, газодинамические параметры потока газа в значительной степени обусловлены напряженным состоянием пласта в зоне дегазации, что определяется оседанием его кровли, связанным с напряженно-деформированным состоянием вмещающих пород. Детальное решение такой комплексной задачи достаточно трудоемко, однако, вполне выполнимо, но требует знания зависимостей усадки угля от его насыщенности метаном. Для осуществления численной реализации этой задачи разработан набор процедур, обеспечивающих нахождение параметров напряженно-
деформированного состояния массива горных пород при соответствующей усадке пласта. В основе этих процедур лежит решение фундаментальной задачи теории упругости о действии сосредоточенной силы в неограниченном пространстве (задача Кельвина).
При рассмотрении влияния дегазации одиночного пласта на напряженно-деформированное состояние вмещающего массива варьировалась глубина его залегания, при заданных величинах его относительной усадки и мощности. При этом выяснилось, что определяющую роль в этом процессе играет не величина относительной усадки пласта Am/m (в %), а ее абсолютное значение Am (в метрах).
Вторым важным обстоятельством является наличие достаточно обширной зоны разгрузки в кровле и почве дегазируемого пласта, которую следует оценивать в каждой точке массива величиной отношения вертикальных напряжений к исходным вертикальным напряжениям в этой же точке.
Наличие в массиве пород-мостов может заметно изменить характер распределения разгрузки, как правило, интенсифицируя ее в области между пластом и породой-мостом. Причем это различие тем больше, чем меньше расстояние между ними. При этом было установлено, что разгрузка, обусловленная усадкой пласта, не передается через породный мост и по другую от него сторону сохраняется исходное напряженное состояние.
Важнейшим результатом этой работы следует считать установление целесообразности использования метода компьютерного моделирования
для оценки напряженно-деформированного состояния горного массива при извлечении газа из угольных пластов и определение влияния его изменения на газоотдачу пластов.
В дополнение к вышеприведенному исследованию была осуществлена проработка вопроса о возможности использования при компьютерном моделировании метода конечных элементов (МКЭ).
В настоящее время в ряде организаций России, занимающихся решением проблем геомеханики, имеются собственные или приобретенные программные продукты по реализации МКЭ. Процесс компьютерного моделирования с применением МКЭ включает в себя создание моделей среды и метод (теорию), описывающий ее поведение при различных граничных условиях.
Во ВНИМИ к.т.н. Мустафиным М.Г. [14] разработана геомеханическая модель системы «выработка - вмещающие породы», основанная на положениях теории упругости и пластичности. На этой методической основе начаты исследования по применению МКЭ при компьютерном моделировании геомеханических процессов, происходящих в горном массиве при извлечении метана из угольных пластов.
Выполненные исследования геомеханического состояния углевмещающей толщи при извлечении метана из угольных пластов на основе применения компьютерного и физического моделирования подтвердили возможность и целесообразность их применения для решения различных задач по оценке и управлению газоотдачей угольных пластов при промысловой добыче метана из высокогазоносных угольных месторождений, залегающих в различных горногеологических условиях.
Проведенный этап этих исследований подтвердил факт образования в углевмещающей толще зон разгрузки и пригрузки, свидетельствующих, что при извлечении метана из углевмещающей толщи проявляется своеобразный эффект «подработки-надработки» угольных пластов, существенно влияющий на их газоотдачу, определяющую технико-экономические показатели добычи (извлечения) метана угольных пластов.
Полученные результаты позволяют наметить следующие направления развития исследований геомеханических процессов, происходящих в углевмещающей толще пород при извлечении из
них флюидов, и проектировать задачи использования полученных результатов для эффективного освоения углеметановьк месторождений по добыче газа.
1. Теоретические исследования изменения напряженно-деформированного и газодинамического состояния горного массива при извлечении метана из угольных пластов.
2. Изучение строения и характеристик высокогазоносных углевмещающих толщ и коллекторских свойств угольных пластов;
3. Установление закономерностей изменения структурных, напряженно-деформированных и газодинамических характеристик высокогазоносного угольного пласта в зависимости от степени его газоистощения (дегазации);
4. Разработка и совершенствование методов моделирования геомеханических процессов, происходящих в углевмещающей толще при извлечении флюидов из слоев пород и угольных пластов;
5. Установление закономерностей сдвижения пород угленосной толщи и изменения их напря-женно-деформирован-ного состояния при извлечении флюидов,
6. Определение влияния порядка извлечения флюидов из углевмещающей толщи на процесс формирования зон разгрузки и пригрузки в горном массиве;
7. Натурные наблюдения за сдвижением массива горных пород при извлечении флюидов из угольных пластов (геомеха-нический мониторинг);
8. Разработка рационального порядка извлечения метана из углевмещающих толщ различного строения на основе прогнозирования зон разгрузки и пригрузки угольных пластов.
Особо хотелось бы отметить актуальность и важность проведения натурных наблюдений за сдвижением массива горных пород с использованием глубинных реперов и их сопоставления с данными физического (лабораторного) и компьютерного моделирования.
Эти результаты позволят дать научное обоснование выбору продуктивных интервалов при проектировании добычи МУЛ, а в дальнейшем -разработать методику имитационного моделирования процессов извлечения газа из углевмещающей толщи, позволяющую выбирать оптимальные параметры освоения метаноугольных месторождений.
Положительные результаты начатых исследований позволяют нам говорить о появлении нового класса техногенных воздействий - геомеханиче-ских, направленных на интенсификацию газоотда-чи пластов.
Достижение намеченных целей исследования геомеханических процессов, происходящих в углевмещающей толще горных пород при извлечении из нее флюидов позволит обосновывать и выбирать оптимальный порядок отбора газа из
угольных пластов осваиваемого углеметанового месторождения, обеспечивающий максимальную газоотдачу пластов за счет использования эффекта разгрузки, проектировать рациональные системы разработки метаноугольных месторождений по добыче газа, а также прогнозировать и предотвращать нежелательные негативные последствия изменения напряженно-деформированного состояния горного массива, происходящие при извлечении метана из угольных пластов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kuuskraa. V.A. Outlook bright for U.S. Natural gas resources., OGJ., Apr. 13, 1998, pp. 92-97.
2. Конарев В.В. Опыт Донбасса по дегазации угольных месторождений. Сб. докладов на П Международной конференции «Сокращение эмиссии метана», Новосибирск, СО РАН, 2000 г., с. 379382.
3. Зху Ксингшан Политика Китая по разработке и утилизации метана угольных пластов: сегодня и завтра. Сб. докладов на П Международной конференции «Со-краще-ние эмиссии метана», Новосибирск, СО РАН, 2000 г., с. 595-600.
4. Шарма Н.К., Сингх У. П. Разработка метана угольных пластов: состояние дел в Индии. Сб. докладов на П Международной конференции «Сокра-щение эмиссии метана», Новосибирск, СО РАН, 2000 г., с. 586-594.
5. Пучков Л.А. Реальность промысловой добычи метана из неразгруженных угольных пластов. М. МГГУ, 1996, 23 с.
6. Байэрер Ч.В., Гвильям В. Дж., Гатри Х.Д. Департамент энергетики США: программа добычи и использования метана. Сб.
докладов на П Международной конференции «Сокращение эмиссии метана», Новосибирск, СО РАН, 2000 г., с. 611-613.
7. Brandenburg C.F., Kuuskraa V.A., Schraufnagel P.A., McBane R.A. Coalbad Methane and Technology: Relation the U.S. Experience Into International Opportunities, 17th Congress of the World Energy Council (WEC), Houston, Texas, September 13-18, 1998.
8. A6aa^ёо І. Без лишних метаний (Кемеровская область и «Газпром» приступают к совместной добыче метана), газета «Трибуна», ноябрь 2000 г.
9. Зотов Г.Ф., Динариев О.Ю., Крупин Г.С., Николаев О.В., Черных В.А. Физические явления в низкопроницаемых деформируемых породах при разработке месторождений природного газа. В сб. «Геотехнологические проблемы разработки месторождений природного газа». М., ВНИИГАЗ, 1992, с. 15-24.
10. Гурьянов В.В., Иофис М.А. О повышении эффективности заблаговременной дегазации свиты угольных пластов на основе управления геомеханическими процессами в горном массиве,
Г орный информационно-
аналитичес-кий бюллетень,
МГГУ, вып. 7, 2000, с. 146-149.
11. Куускраа В.А. Снижение эмиссии метана на угольных шахтах: бассейны Ворриэр и Кузнецкий. Сб. докладов на П Международной конференции «Сокращение эмиссии метана», Новосибирск, СО РАН, 2000 г., с. 451459.
12. Іадаітіі І.А., ^еіаеіа А.І., Аодиуіїа А.А., Oдpёё^ А.О., Іаддда А.А. Ібаіеа еїллекторских свойств угольных пластов применительно к условиям промысловой добычи метана. №. «№абаіаіїйа їбїаеаіи шахтного метана», І., ІААО, 1999, п. 155.
13. Аддиуиа А.А. Еоїае
бааёёдабёё проекта «Углеметан» в 1999 г. и направления работ на период до 2002 года, Аїбійе ё^бїбіабёї^^ї-а^аёё6ё^аnёёё бюллетень, МГГУ, вып. 3, 2000, с. 54.
14. Мустафин М.Г. Геомеха-ническая модель системы «выработка - вмещающие породы» и ее использование при прогнозировании динамических проявлений горного давления. В сб. «Горная геомеханика и маркшейдерское дело», С-Пб., ВНИМИ, 1999.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Гурьянов Владимир Васильевич - профессор, доктор технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
^^
7
