CC BY
42
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ “НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 87"
МОСКВА, МГГУ, 3.02.97 - 7.02.97
СЕМИНАР 1 “ ПРОБЛЕМЫ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ (ДОБЫЧИ) МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Зимаков Б.Н., д.т.н. Матвиенко Н.Г., д.т.н. Гурьянов В.В., д.т.н. ИПКОН РАН
Козловский Е.А., к.г.- м.н. Хрюкин В.Т., к.ч.- м.н. МГГА
Шаров Г.Н., к.ч.- м.н. Натура В.Г., инж. ЮЖСИБГЕОЛКОМ Карпов В.И., к.ч.-м.н. МИНТОПЭНЕРГО РФ Золотых С.С., к.т.н. Куленков В.П., инж.
АО “МЕТАН КУЗБАССА’’
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К
ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ПЕРСПЕКТИВ ПРОМЫСЛОВОЙ ДОБЫЧИ МЕТАНА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ
В России структурная политика в области энергетики предусматривает увеличение доли природного газа в суммарном производстве энергетических ресурсов и расширение его использования в экологически неблагополучных промышленных районах [I]. Энергетическая стратегия предусматривает интенсификацию освоения местных нетрадиционных энергоресурсов. Ряд угледобывающих регионов, не обеспеченных в достаточной мере поставками газового топлива, мог бы покрывать свои потребности в газе широкомасштабной добычей собственного метана из угольных пластов, который является наиболее доступным и экологически чистым резервом горючих газов.
Метан угольных бассейнов как полезное ископаемое в настоящее время приходится оценивать с двух принципиально различных позиций, отражающих его двойственную геолого-экономическую сущность:
• как самостоятельное ископаемое (генетически и пространственно сопутствующее углю), добыча которого может осуществляться самостоятельным газовым промыс-
лом (независимо от добычи угля) по принципу экономической целесообразности (рентабельности) и потребности в газе;
• как попутное полезное ископаемое, извлечение которого осуществляется средствами шахтной дегазации при добыче основного полезного ископаемого - угля, для обеспечения газобезопасности работ.
Основной объем (90 - 95%) ресурсов углеводородных газов в угольных бассейнах связан с залежами сорбированного метана в угольных пластах, и этот метан (до 2 трлн. куб. м в Печорском бассейне и до 13 трлн. куб. м в Кузбассе на глубинах до
1,8 км и более 20 трлн. куб. м на более глубоких этажах бассейна) служит резервом для промысловой добычи.
В условиях углепромышленных районов при обосновании целесообразности оценки ресурсов метана основным критерием определения его промышленного значения как попутно добываемого топлива является технологическая необходимость (для снижения выбросоопасности и обеспечения газобезопасности) и возмож-
ЧГ
ности дегазации скважинами, пробуренными с поверхности или из подземных выработок. Необходимость дегазации высокогазоносных угольных пластов и скоплений свободных газов в породах предопределяется не столько рентабельностью извлечения из них метана и его использования, сколько той угрозой, которую они представляют для угольных шахт. В этом заключается принципиальное отличие попутно извлекаемого метана от других попутных (и сопутствующих) полезных ископаемых, добыча которых должна быть экономически оправдана.
Критериями промышленной значимости ресурсов метана угольных пластов для самостоятельной коммерческой добычи (независимой от добычи угля) является рентабельность добычи, которая предопределяется глубинами освоения, геологическими особенностями и угленосностью объектов, газоносностью и фильтрационными свойствами пластов, а главное технологией добычи.
Оценка перспектив углегазового промысла основывается на анализе сырьевой базы, ее геологических особенностей, состояния и развития технологии, отечественного и зарубежного опыта добычи метана из угольных пластов.
Исходной информацией для оценки сырьевой базы являются результаты разведки угольных месторождений, в процессе которой проводилось изучение газоносности угольных пластов с применением керногазонаборников, герметических сосудов, газового картажа и пластоиспыта-телей. Например, в Кузбассе опробовано 7192 скважины и отобрано 54100 углегазовых проб, в том числе в Ерунаковском районе опробовано 1171 скважина и отобрано 8011 проб (4880 представительных), в Томь-Усинском районе опробовано 336 скважин и отобрано 3856 проб (1470 представительных).
Общее количество углеразведочных скважин на порядок больше опробованных и достигает 100 - 150 тысяч.
До глубины 600 - 1000 м метанонос-ность угольных пластов оценивалась по данным опробования, а на глубинах 1,0 -
1,8 км - на основе установленных зависимостей от степени метаморфизма углей [2,3], которые подтверждаются двумя глубокими скважинами - Томской и Распадской глубиной до 2,1 км.
Основным принципом оценки перспективности и выбора первоочередных площадей для самостоятельной (внешахт-ной) промысловой добычи метена из угольных пластов является учет ее технологической возможности, экономической и экологической целесообразности. Показателем геолого-экономической (промышленной) значимости ресурсов метана угольных пластов для промысловой коммерческой добычи метана (независимо от добычи угля) является рентабельность добычи метана, которая предопределяется масштабами и концентрацией (плотностью) ресурсов метана в угольных пластах, глубинами их освоения, геологическими и геодинамическими особенностями угленосных структур (горных массивов), метаноносностью, газодинамическими и фильтрационными свойствами угольных пластов и, главное, технологией промысловой добычи метана из угольных пластов. От развития передовых эффективных технологий зависят перспективы комплексного поэтапного освоения мета-но-угольных месторождений с опережающей промысловой крупномасштабной добычей газа на первом этапе.
Оценка перспектив, эффективности и рентабельности самостоятельной коммерческой добычи метана из угольных пластов углегазовым промыслом должна базироваться на всестороннем учете совокупного воздействия всех региональных и локальных геологических факторов и свойств углей. Многосторонний опыт американских фирм показывает, что нарушение этого подхода может приводить к выбору далеко не лучших участков, хотя они и могут показаться на первый взгляд бла-
гоприятными [4,5]. Так например, особенности геодинамики геологических угленосных структур и массивов являются предопределяющим региональным фактором не только развития естественной трещиноватости и проницаемости пластов, но и обусловливают возможности применения техногенных способов повышения проницаемости пластов, интенсификации (активизации) их газоотдачи. В условиях геодинамического сжатия уменьшаются глубины возможной добычи метана, поскольку суммарный эффект воздействия и геодинамики, и глубины (геостатики) способствует закрытию трещин. На напряженных участках гидроразрывы трудно осуществимы, а способ кавернообразова-ния (кавитация) наиболее эффективен в условиях умеренного горного давления в пластах углей средних стадий метаморфизма (при показателе отражения витри-нита 0,7 - 1,2%).
Такой многоаспектный геологотехнологический подход к прогнозированию перспектив промысловой добычи метана из угольных пластов позволяет в качестве основных количественных критериев оценки перспективности площадей и стратиграфических комплексов принимать величины метаноносности угольных пластов, масштабы и плотность ресурсов метана в них, угленосность продуктивных горизонтов, мощность и глубину залегания угольных пластов, зольность и степень метаморфизма углей (табл. 1,2). Проницаемость и газодинамические параметры пластов, сорбционная и газоотдающая способность углей, а также другие углегазопромысловые характеристики будут установлены при тестировании специальных скважин на предварительно выбранных (по перечисленным выше критериям) перспективных площадях.
Газопроницаемость угольных пластов является важнейшим свойством, определяющим добычу метана из них. Без достаточной проницаемости, без возможности техногенного ее повышения и сти-
мулирования газоотдачи пластов нет и преспектив добычи метана из угольных пластов. В настоящее время еще не найдены надежные методы прямой оценки или количественного прогнозирования газопроницаемости угольных пластов до проведения геолого-промысловых исследований на скважинах. Однако установлены методы определения перспективности угольных пластов для извлечения из них метана по степени метаморфизма и петрографическому составу слагающих их углей.
Витринит в углях и, особенно, наличие витринитовых пачек в угольных пластах, способствует развитию кливажа, которым обусловливается перемещение метана по пласту к стволу скважин. Количественного критерия перспективности промыслового извлечения метана из угольных пластов по содержанию витри-нита в углях еще нет. Пока осторожно можно считать: чем больше, тем лучше. Вопрос недостаточно изучен, а изучить вопрос о влиянии петрографического состава на газоотдающую способность углей нужно, не забывая и о микрокомпонентах группы фюзинита (инертинита), которые являются наиболее пористой (до 50%) составной частью углей. Не исключено (и даже вполне вероятно), что проницаемость фюзинитовых малозольных углей может оказаться более высокой, чем у витринитовых. Это имеет прямое отношение к некоторым пластам балахонской серии в Кузбассе, обогащенным фюзинитом (до 60 - 70%), но не имеет практического значения для Печорского и Донецкого бассейнов, где нет таких углей.
Степень метаморфизма углей (установленная по показателю отражательной способности витринита) является одним из решающих критериев оценки перспективности угольных пластов и площадей их распространения для углегазового промысла. Метен как самостоятельное полезное ископаемое, перспективное для широкомасштабной промысловой добычи, оценивается в пластах углей групп мета-
морфизма Г, Ж, К, ОС и Т (с показателем отражения витринита в иммерсии от 0,6 до 2,0%). По последним сообщениям технологические достижения позволяют рассматривать угли марок ОС и Т (показатель отражения витринита от 1,4 до 2,0%) также перспективными, хотя еще и не гарантирует постоянный технический и экономиче-
ский эффект. Это во многом зависит от рыночной цены добываемого метана. Не исключено, что в недалеком будущем удастся организовать промыслы по добыче метана и из высокогазоносных (до 40-45 м3/т) антрацитов (с показателем отражения от 2,2 до 4,5%).
Геолого-технолошческие критерии перспективности промысловой добычи
Таблица 1
№ п.п. Критерий оценки перспективное III Характеристика критерия
1 Метаноносность угольных пластов Более 8-10м3/т, при обязательном росте с глубиной
2 Глу бины оценки (при современных технологиях) Or 300 до 1800 м, при наиболее благоприятных 500 - 1200 м.
3 Масштабы ресурсов метана Более 50 - 75 млрд. м 5 на месторождешш, участке, полигоне.
4 Концентрация (плотность) ресурсов метана Более 150 - 200 млн. мV км:.
5 Угленосность продуктивных интервалов Более 5-10% в продуктивных интервалах (150 -200 м) разреза (не менее 8-10 м суммарной мощности угольных пластов)
6 Индивидуальные мощности угольных пластов продуктивных групп Более 1 м.
7 Зольность углей Менее 25 - 30%.
8 Петрографический состав углей Витршпповый.
9 Степень метаморфизма углей Группы Г, Ж, К, ОС и Т с показателем отражательной способности витринита в иммерсии от 0,6 до 2,0%. Наиболее перспективны |руппы Г, Ж, ЖК с показателем озраження витринита от 0,75 до 1,20° ч.
10 Проницаемость пластов Не менее 5 мД при геолого-промысловых исследованиях.
11 Геодинамичсскос состояние утленосной толщи Массивы в состоянии растяжения или слабого сжатия.
12 Технолошческая возможность применения средств интенсификации газоотдачи угольных пластов Дебиты скважин при опытно-промышленных испытаниях не менее 20-40 тысяч м3 в сутки для рентабельной добычи метана.
При этом учитывается, что критерий метаморфизма углей контролирует не только величины метаноносности пластов (ее изменения с глубиной), но и, главным образом, их трещиноватость, а следовательно, и газопроницаемость, возможность ее техногенного повышения (способами гидроразрыва пластов и пневмо-гидровоздействия с кавернообразованием вокруг ствола скважин) и активизации газо-отдачи пластов.
С позиций современных технологий извлечения метана из угольных пластов первоочердными объектами для промысловой добычи метана являются пласты углей групп метаморфизма Г, Ж и К (с показателем отражения витринита от 0,6 до 1,4%), а наиболее благоприятными для эффективной добычи метана - пласты углей с показателем отражения от 0,7-0,75 до 1,11,2%. Это подтверждается опытом промысловой добычи метана в бассейне Сан-Хуан. Наиболее продуктивные пояса в
этом районе прослеживаются в области распространения углей с показателем отражения витринита от 0,78 до 1.1-1,2% [4].
Таблица 2
Сравнительная характеристика углегазопромысловых показателей ____________бассейна Сан-Хуан (США) и Кузбасса |3-5|__________________________
.V: п.п. Характеристика Сан-Хуан Кузбасс
1 Структурная форма бассейна Асимметричная синклинальная структура, осложненная пологими складками. Сложно складчатый синклинорий. В южной части ослож-неи пологими бра-хискладками.
2 Угленосность Суммарная мощность угольных пластов достигает 30 м. Мощность отдельных пластов достигает 8-10 м. Суммарная мощность угольных пластов достигает 100-120 м. Мощность отдельных пластов достигает 10-18 м.
3 Метаноносность До 15-20 м3/т. До 25 - 30 м3/т.
4 Масштабность ресурсов метана Всего 2,3 трлн. м3, т.ч. в пластах формации Фрутлаид 1,4 и в пластах форма-ции Менефи 0,9 трлн. м3. Всего 13,1 трлн. м3 (до глубины 1800 м), а в его перспективных Южных районах по 1,5-3,0 трлн. м3 и на отдельных перспективных площадях по 140-450 млрд. м3. От 500 до 3500 млн. м3/ км2.
5 Плотность (концентрация) ресурсов метана От 300-350 до 800-100 млн. м3/ к м:. От 500 до 3500 млн. м3/ км2.
6 Петрографический состав углей Внтринитовый Внтринитовый и фюзинито-витринитовмй
7 Степень метаморфизма углей Угли с показателем отражения витринита от 0,7 до 1,5% (в пределах “Продуктивного пояса" от 0,78 до 1,2%) Угли с показателем отражения витри-нита о г 0,6 до 2,0% (на наиболее перспективных площадях Ерунаковского и Томь-Усинского районов от 0,75 до 1.2%)
8 Глубины залегания пластов Глубина залегания продуктивных угольных пластов формации Фрут-ленддо 1200м. Глубины залегания продуктивных угольных пластов от 0,5 км до 3-4 км.
Высокая эффективность добычи метана из ненарушенных горными работами угольных пластов в бассейне Сан-Хуан обусловлена как благоприятными природными условиями выбранной площади, так и удачным применением в широком масштабе метода гидропневмовоздействия в пульсирующем режиме с кавернообразо-ванием вокруг скважин. Сопоставление углегазопромысловых характеристик бассейна Сан-Хуан и Кузбасса (табл. 2) показывает, что южные районы последнего (Ерунаковский, Томь-Усинский и другие) не уступают, а по некоторым показателям
(метаноносность, плотность ресурсов метана, мощность пластов) превосходят условия самой продуктивной площади Сан-Хуана. Поэтому эти районы следует рассматривать в качестве наиболее перспективных для выбора первоочередных объектов и проведения тестовых и опытнопромышленных работ по промысловой добыче метана из угольных пластов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Новая энергетическая политика России - М.: Энергоатомиздат, 1995,512 с.
2. Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР. М.: Недра, том I, 1979, 628 с.; том
II, 1979, 454 с.; том III, 218 с.
3. Б.М.Зимаков, В.Г.Натура, В.Т.Хрюкин. Геологические перспективы добычи метана в Кузнецком бассейне. - М.: МГП “Геоинформмарк”, 1992, 90 с.
4. A.L. Klawitter, T.E.Hoak and A.D.Decker. Integrated Exploration Strategy for Locating Areas Capable of High Gas Rate Cavity Completion In Coal-bed Methane Reservoirs. Intergas’95, Proceedings,
Tuscaloosa, Alabama. USA, May 15-19, 1995, p.97-114.
5. T.L.Logan, M.J.Mavor, M.Khodaverdian. Optimizing and Evaluation of Open-Hole Cavity Completion Techniques for Coal Gas Wells. International Coalbed Methan Symposium, Proceeding, Birmingham, Alabama. USA, May 17-21, 1993, p. 610622.
© Авторов
