CC BY
95
Таблица 2
Параметры структуры и остаточных напряжений минералов горных пород
Название и место отбора породы Название минерала Состояние и номер образца D, a Ро-10"10 см2 id a л 's a £• 10-3 Pi-10-12 см2 /V10-12 см2 аЛ0ъ Y •ÍO3 Ъз-103 Мбар агу 103 Мбар
Гранит Кыртабылга кварц исходн.,10 после т.о.,7 254 398 47 19 -8,8 -3,6 123 18 7,6 1,8 27 16 51 7,4 40 10,3 1,64 0 6 1
Мрамор Новороссийск кальцит исходн.,12 после т.о.,7 566 324 9,4 29 9,2 -8,2 17,5 17,1 1,3 2,2 2000 2000 3000 3000 11 4,8 0,80 0,26
Песчаник Рогун кальцит исходн.,2 после т.о.,4 784 239 5,0 52,0 8,9 -1,3 15 47 0,85 5,0 2000 2000 3000 2900 1,4 8,6 6,46 1,95
кварц исходн.,2 после т.о.,4 651 594 7,1 8,5 -0,68 -1,4 0,57 2,35 0,20 0,45 2,8 8,3 3.3 9.4 0,61 2,2 5,5 19
кварц исходн.,21 после т.о.,1 пос, т.о.,41 385 376 535 20,2 21,2 10,5 223 217 309 78 76 73 -3,97 -3,42 4,11
Кварц Вост. Коунрад кварц исходн.,2 исходн.,2 458 511 14,3 11,5 264 295 150 302 -2,93 -1,48
Гранит Вост. Коунрад кварц исходн.,2 исходн.,2 554 688 9,8 6,3 320 397 171 116 -1,99 -3,02
Список использованной литература:
1. Давиденков Н.Н. Об измерении остаточных напряжений/ Н.Н.Давиденков // Заводская лаборатория, №2.1950.- С. 188-192.
2. Зильбершмидт М.Г. Механизм изменения структурного состояния горных пород при внешнем воздействии // Физические свойства горных пород и процессов: Материалы Всесоюзной конф. М., 1984.
3. Freedman M.X-ray analysis of residual elastic strain in quartzose rocks.-Proc. 10 th Symp. Rock Meck. Fustintex, New-Iork, 1972.
4. Комяк Н.И., Мясников Ю.Г. Рентгеновские методы и аппаратура для определения напряжений. М.: Машиностроение , 1972.
© Р.М.Султаналиева, 2015
УДК553.981.2
Трофимова Галина Ивановна
канд. г.-м., наук, доцент ТГАСУ, г. Ленинск-Кузнецкий, РФ Е-mail: galcka.trofimova2013@yandex.ru Черемисина Варвара Геннадьевна канд. пед. наук, доцент КРИПКиПРО, г. Кемерово, РФ Е-mail: warwara82@mail.ru
ОРГАНИЗАЦИЯ В КУЗБАССЕ ПРОМЫСЛОВОЙ ДОБЫЧИ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
КАК СОВРЕМЕННАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНАЯ ЗАДАЧА
Спутник шахтёрской профессии - метан, на протяжении долгого времени рассматривался с точки зрения обеспечения безопасности горных работ. И только недавно в нашей стране заговорили о метане совершенно в другом - технологическом, экологическом, социальном и экономическом аспектах, как о возможном и необходимом энергоносителе.
Рост мирового энергопотребления при ограниченных ресурсах первичных энергоносителей обусловливает необходимость рационального использования традиционных и нетрадиционных источников энергии с учетом экологических последствий их добычи и применения. В русле рассматриваемого вопроса актуальным на сегодняшний день является исследование свойств природного газа - метана.
Проявления природных газов, условия их нахождения и образования в земной коре рассматриваются обычно в работах по геохимии, условия залегания и происхождения горючих углеводородных газов описываются попутно в работах по геологии нефти, физические свойства и законы газового состояния - в руководствах по технологии газов в настоящее время накопился обширный фактический материал, выявлен ряд закономерностей в распространении и условиях залегания природных газов, которые целесообразно рассмотреть совместно с физико-химическими свойствами газов в свете их образования. Это вызывается практической необходимостью в связи с широким разворотом в нашей стране поисковых и разведочных работ на газ и бурным развитием промышленности природных газов, требующими разрешения и исследования ряда вопросов как теоретического, так и практического значения в области науки и природных газах.
В исследовании данного вопроса, рассмотрим направленности по технологичности, экологичности метана и другим направленностям, реализующимся в Кузбассе (Рис. 1.).
Геология природных газов развилась еще в Советском Союзе благодаря трудам акад. В.И. Вернадского, посвятившего ряд своих работ геохимии природных газов, и акад. И.М. Губкина, в классических трудах которого по геологии нефти затронуто и разрешено немало вопросов геологии природных (горючих) газов, а также благодаря трудам проф. В.В. Белоусова, проф. В.А. Соколова, проф. И.О. Брода, проф. М.А. Жданова, Г.Д. Лидина, геологов В.П. Савченко, А.Л. Козлова, В.Г. Васильева, И.В. Высоцкого, химиков А.А. Черепенникова, В.Г. Хлопина и др.
Технологическая возможность и экономическая целесообразность добычи метана из угольных пластов подтверждается всем ходом развития углегазовых промыслов не только в России, но и в США и Австралии, обнадеживающими результатами начала работ в Китае и Индии. Добыча метана в США резко возросла от 5 млрд. м3 в 1990 г. до более чем 40 млрд. м3 в 2002 г. Весьма показателен рост доли угольного метана в общем балансе добычи природного газа в США: в 1990 г. она была равна всего 1%, в 1993-1994 гг. уже - 4,1-4,7 а в 2002 г. превысила 7%. Такой рост добычи метана из угольных пластов в США (при отмене налоговых льгот с 1993 г.) В. Куускраа объясняет совершенствованием технологий, повышающих продуктивность скважин [17].
Рисунок 1 - Фрактал направленностей по организации промысловой добычи метана из угольных пластов.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2015 ISSN 2410-700Х_
В промышленных масштабах добыча метана из угольных пластов в России пока не производится, хотя ресурсы метана в недрах Кузбасса до глубины 1,8 км составляют около 14% от мировых ресурсов метана в угольных пластах и около 6% от прогнозных ресурсов традиционного природного газа в России. Кемеровская область, потребности которой в газе па сегодняшний день составляют 3,0 -4,0 млрд. м3 в год, могла бы полностью покрыть свои потребности в газе за счет добычи собственного метана из угольных пластов.
Среди метаноугольных бассейнов мира нет равных Кузбассу но геологическим и углегазопромысловым характеристикам:
- прогнозные ресурсы метана в угольных пластах бассейна около 13 трлн. м3 на площади в 21 тыс. км2, а в его южных, наиболее перспективных районах (Ерунаковском, Терсинском Томь-Усинском и Мрасском) - от 0,9 до 3,0 трлн. м3 и на отдельных перспективных площадях 100-480 млрд. м3 метана;
- в разрезе промысловых скважин (до глубины 1,8 км) суммарная мощность газопродуктивных пластов углей средних стадий метаморфизма (групп ГЖ-Ж-ЖК, которым свойственна повышенная трещиноватость) может достигать 90-120 м, при содержании метана до 25-30 м3/т;
- проницаемость угольных пластов в естественном залегании (по замерам в разведочных скважинах) достигает 30-50 мД;
- высокая плотность (концентрация) ресурсов метана в угольных пластах (до 3,0 млрд. м3/км2) -отличительная особенность Кузбасса, предопределяющая, возможность добычи и высокой концентрации промысловых работ вблизи потребителей газа.
В направлении технологичности метана необходимо рассмотреть и его экологичность, взаимодействие природного газа с окружающей средой.
На сегодняшний день природный газ - самое экологически чистое топливо. Метан соответствует стандарту Евро 5, при его использовании объем вредных выбросов сокращается в несколько раз. По сравнению с бензином в отработавших газах метанового двигателя содержится в 2 -3 раза меньше оксида углерода, в 2 раза меньше окиси азота, задымленность снижается в 9 раз. Главное - отсутствуют соединения серы и свинца, которые наносят наибольший вред атмосфере и здоровью человека. Экологичность - одна из глобально важных причин общемирового тренда перехода на метан.
Существует мнение о том, что метан взрывоопасен. Если вспомнить школьную программу по физике и химии, рассмотрев свойства газов, то для взрыва или воспламенения необходима смесь воздуха и горючего в определенной пропорции. А, по своим свойствам метан легче воздуха и не способен образовать смесь - он просто улетучивается. Благодаря этому свойству и высокому порогу воспламенения метан отнесен к наивысшему - четвертому классу безопасности среди горючих веществ. Для сравнения, у бензина - третий класс, а у пропан-бутана - второй.
Подтверждение этому мы находим на практике в проведении краш-тестов. Данная статистика доказывает безопасность и экологичность метановых баллонов. На заводе-изготовителе эти емкости проходят целую серию испытаний на прочность: воздействие экстремально высоких температур, падение с большой высоты и даже прострел из оружия. Резервуары изготавливаются с толщиной стенки, выдерживающей не только рабочее давление в 200 атмосфер, но и любые удары. Арматура баллона оборудована специальным автоматическим устройством обеспечения безопасности: при чрезвычайной ситуации специальный мультиклапан моментально прекращает подачу газа в двигатель. В США поставили эксперимент: в течение 10 лет вели наблюдение за 2 400 автомобилями на метане. За это время произошло 1 360 столкновений, но ни один баллон не был поврежден. [8].
Кроме этого, говоря о экологии окружающей среды при использовании человеком топлива, выхлопные газы оказывают негативное воздействие на биосферу. До 90% загрязняющих веществ в воздухе городов -вредные выбросы транспорта, работающего на нефтяном топливе, при сгорании которого образуется большое количество сажи, дыма, токсичных соединений тяжелых металлов.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2015 ISSN 2410-700Х_
На сегодняшний день доказано, что метан - наиболее экологичное топливо из существующих. Оно сгорает практически полностью, поэтому объем вредных выбросов по сравнению с тем же бензином сокращается многократно. В отработавших газах двигателя на метане содержится в 2-3 раза меньше оксида углерода и в 2 раза меньше окиси азота. При этом задымленность снижается в 9 раз, а вредные соединения серы и свинца отсутствуют вовсе. Конкурентом в данном случае могут служить только электромобили, но если учесть современные экологические вопросы производства и утилизации аккумуляторов, то по показателям экологичности снова в приоритете метан. [14].
Все эти факторы подтверждение тому, что метан экологичен и является благоприятным фактором, влияющим на человека и окружающую среду.
В таком случае, рассматривая метан как перспективное, технологичное и экологичное топливо, необходимо знать информацию о его нахождении на территории нашей страны. Как говорилось выше наиболее перспективным регионом по добычи метана является Кузбасс.
Информационная база по газоносности угленосных отложений разведанных площадей и шахтных полей, но количественным зависимостям метаноносности угольных пластов от их погружения, по особенностям газоносности глубоких горизонтов месторождений углей различных стадий метаморфизма -один из главных итогов геологов Кузбасса, исследовавших и продолжающих изучать газоносность угольных месторождений.
Постоянная научно-практическая потребность в данных по газоносности осваиваемых и разведываемых шахтных полей связана с необходимостью прогноза метанообильности проектируемых горных выработок, разработки мер борьбы с газовыделениями, инженерных расчетов шахтной вентиляции и дегазации угольных пластов, а также для оценки ресурсов и подсчета запасов метана.
Первые сведения о газоносности угольных пластов Ленинского района Кузбасса опубликованы О. С. Гроссманом в 1936 г. Наблюдения за газообильностью горных выработок в Кузнецком бассейне были начаты еще с конца 1930-х годов. В 1940-е годы А. И. Кравцовым выполнены первые исследования и обобщения по газоносности угольных пластов некоторых промышленных районов бассейна и высказаны соображения о возможности добычи и практического использования метана.
Систематическое изучение газоносности угольных месторождений Кузбасса начали в 1954 г. Московский геологоразведочный институт совместно с трестом "Кузбассуглегеология" и Восточным научно-исследовательским институтом по безопасности в горной промышленности (ВостНИИ). В 1954 г. сотрудниками ВостНИИ и треста "Кузбассуглегеология" К. А. Ефремовым и Н. В. Дорошкевич под руководством Э. М. Сендерзона составлена первая инструкция по изучению и прогнозированию газоносности угольных пластов при разведке шахтных полей Кузнецкого бассейна.
Полезные материалы были получены также при бурении глубоких скважин (до 2,5-2,8 км) в ходе проводившихся в 1930-1960-е годы поисков нефти и газа. При отрицательных результатах оценки нефтегазоносносности бассейна они дали ценный материал по геологии его глубоких горизонтов.
Газообильность шахт Кузбасса систематически изучалась сотрудниками ВостНИИ, ИГД им. А. А. Скочинского под руководством Г. Д. Лидина.
Полученные данные нашли отражение в многочисленных отчетах по результатам геологоразведочных работ и в ряде публикаций. Наиболее капитальными были трехтомная монография "Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР" [2, 3], монография "Геологическое строение и перспективы нефтегазоносности Кузбасса" и серия отчетов по теме "Карты прогноза газоносности" основных гео лого -промышленных районов Кузбасса. Значительный вклад в изучение газоносности региона на данном этапе внесли М. И. Андреева, А. П. Бакалдина, В. И. Бархатова, Н. В. Дорошкевич, О. А. Дружинина, А. И. Дьячков, К. А. Ефремов, В. П. Калиниченко, А. И. Кравцов, В. А. Муромцев, Н. П. Таран, О. В. Тендер, Л. Л. Шевченко и др.
Подготовка сырьевой базы промысловой добычи газа из угольных пластов как нетрадиционных коллекторов, к которым приурочены гигантские залежи сорбированного метана, стала возможной благодаря:
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2015 ISSN 2410-700Х_
- обобщению совокупности современных знаний о метаноносности угольных пластов;
- установлению региональных и локальных закономерностей изменений параметров газоносности пластов углей в зависимости от глубины залегания, степени метаморфизма и вещественного состава углей;
- разработке методологии оценки перспектив промысловой добычи метана (самостоятельной, не зависимой от добычи угля), выбора приоритетных площадей для подготовки их к опытно-промышленной добыче
Это позволило подсчитать прогнозные ресурсы метана до глубины 1,8 км и оцепить возможные масштабы ресурсов метана на глубинах от 2 до 3-5 км что открывает возможность ведения добычи метана в Кузбассе в течение века, обеспечивая Кемеровскую область газом путем добычи собственного метана из угольных пластов. Реальность решения этой задачи в Кузбассе стала ясна в начале 90-х годов, когда появились первые сведения о добыче метана из угольных пластов в США, где в то время уже добывалось около 5-10 млрд. м3/ год [15, 16, 17, 18-21].
Руководство Кемеровской области в лице заместителя главы Администрации А. П. Пронина активно поддержало идею обеспечения промышленности Кузбасса газом. С этого времени в Кузбассе приоритетным становится изучение метана как полезного ископаемого, и намечаются пути его освоения. Эти исследования, отчасти продолжающие направления предыдущего этапа, включают ряд новых геологических и технологических задач: оценку количества и пространственного размещения ресурсов метана, выбор первоочередных площадей и освоение новых методов исследовательских работ и др. В ходе практической реализации этого направления в Кузбассе пробурено восемь глубоких (от 1400 до 2400 м) скважин с проведением комплекса специальных работ и исследований, включающих определение проницаемости угольных пластов. Переоценены прогнозные ресурсы метана в угольных пластах и скоплениях свободных газов основных антиклинальных структур. Начата попутная добыча и утилизация шахтного метана па шахте "Чертинская". Основные результаты работ данного этапа, а также перспективы дальнейшего изучения и использования газовых ресурсов региона рассмотрены в работах А. Г. Ефремовой [9], Б. М. Зимакова [5,6], В. П. Мазикина, Г. Н. Матвиенко, В. Г. Натуры, Т. С. Поповой, Е. Л. Счастливцева, О. В. Тайлакова [10], В. Т. Хрюкипа, А. В. Черняева [12], Г. Н. Шарова [13] и др.
К настоящему времени газоносность Кузнецкого бассейна изучена неравномерно. В верхнепалеозойских (C2-P) толщах с промышленной угленосностью газы изучены довольно детально до глубин 600-700 м, менее полно - в интервале 700-1000 м и фрагментарно, по немногочисленным скважинам, - на глубинах более 1000 м. В 146 участках, в том числе 76 шахтных полях изученность в основном соответствует требованиям Инструкции [90]. Всего по бассейну опробовано 7192 скважины, отобрано 54100 углегазовых проб, из них: в Ерунаковском районе - 8011 проб по 1171 скважинам, в Томь-Усинском — 3856 проб по 336 скважинам.
В рассматриваемом вопросе есть необходимость исследовать природу генерации метана в Кузбассе. В процессе формирования Кузнецкого бассейна при метаморфизме углей было генерировано около 800 -1000 трлн. м3 метана. В геологических границах бассейна сохранилось около 50-70 трлн. м3 метана. Сюда входит не только метан угольных пластов и скоплений (залежей) свободных газов (которые могут и должны рассматриваться как полезное ископаемое), но и огромная масса метана, рассеянного, окклюдированного в толще углевмещающих пород (до 1 -2 м3/т) практически не извлекаемого. Поэтому далеко не весь метан угольных бассейнов может рассматриваться как полезное ископаемое, запасы и ресурсы которого подлежат подсчету и учету [7].
В составе газов угленосных отложений установлены метан, тяжелые углеводородные газы (этан, бутан, пропан), водород, углекислый газ и азот, эпизодически (крайне редко) встречается в примесях сероводород, в микроконцентрациях присутствуют аргон, гелий и другие инертные газы.
Экспериментальными лабораторными исследованиями установлены и геологоразведочными работами подтверждены этапность и зональность процесса углегазообразования, закономерные изменения состава генерированных газон с увеличением степени метаморфизма (катагенеза) угольного вещества. Начальный
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2015 ISSN 2410-700Х_
этап метаморфизма углей (Б-Д) отличается интенсивным образованием углекислого газа и менее значительной генерацией метана. Средняя стадия (второй этан) метаморфизма (в зоне формирования углей (Г-ОС) характеризуется значительной генерацией метана и повышенным (но сравнению с другими этапами) выделениями тяжелых гомологов метана. Третьему этапу, связанному с формированием высокометаморфизованных углей, свойственна активная генерация метана (с максимумом на стадии антрацитов 1А-2А) и, возможно, водорода, при почти полном отсутствии тяжелых УВ [4]. На заключительном этапе метаморфизма углей (в зоне развития суперантрацитов (ЗА) в составе генерированных газов, но всей вероятности, преобладает водород при подчиненной роли метана.
В данном случае происходит процесс метаногенеза. Метаногенез или биосинтез метана — процесс образования метана анаэробными археями, сопряжённый с получением ими энергии. Существует три типа метаногенеза:
• Восстановление одноуглеродных соединений с помощью молекулярного водорода или двух- и более углеродных спиртов.
• Диспропорционирование одноуглеродных соединений.
• Диспропорционирование ацетата.
Энергия при этом запасается в форме натриевого или протонного трансмембранного потенциала и трансформируется в химическую. Закон сохранения, который мы знаем из школьного курса физики, дает определение трансляции протонного потенциала в химическую энергию.
Археи играют в этом процессе важную роль. В научной литературе они имеют полное название - архебактерии - это группа древних микроорганизмов, иногда выделяемая в самостоятельное царство. Включает более 40 видов. Морфологически и цитологически близки к эубактериям (истинным бактериям), основное отличие в аппарате синтеза белка. Отличаются также по химическому строению мембран, у многих в клеточной стенке есть белковый слой. По форме клетки могут быть палочками, кокками, спириллами и др. Развиваются как в кислородных, так и в бескислородных условиях. Метаногены -высокоспециализированные автотрофные анаэробные археи, для которых уникальная в живом мире реакция синтеза метана служит единственным источником энергии. Обитают в донных отложениях водоёмов, пищеварительном тракте растительноядных животных. Играют важнейшую роль в биосферных механизмах, являясь главным источником метана на Земле, большинство запасов природного газа в далёком прошлом образовано благодаря деятельности этих бактерий. Возможно, появились на Земле около 3 млрд. лет назад, когда в атмосфере отсутствовал кислород. Среди архей встречаются виды, способные развиваться при солёности воды, существенно превышающей солёность морской, а также обитающие в горячих источниках, кипящих грязевых котлах и др., способные развиваться при температуре 80—110 °C.[1]
Метаногенез играет важную роль в природе, являясь основным источником метана в земной атмосфере. Используется человеком для получения биогаза.
На процесс газообразования на территории Кемеровской области существенное влияние также оказывают петрографический состав и степень восстановленности углей. При повышении лейнтинитовой составляющей и восстановленности углей генерация УВ-газов увеличивается в несколько раз, вплоть до образованна в толщах с жирными и коксовыми углями локальных скоплений жидких легких нефтей, насыщенных газовым конденсатом.
Масштабы генерации газов в угленосных формациях зависят от угленосности отложений и степени метаморфизма углей. По обобщенным данным В. И. Ермакова [4], В. А. Успепского [11], а также В. П. Козлова и Л. В. Токарева, И. И. Молчанова А. В. Тыжпова и др., в процессе преобразования каменных углей разных марок (начиная от длиннопламенных) генерируется метан в следующих количествах (в м3): до образования 1 т углей марок Ж - 120-170; K-OC-KC - 180-230; T - 200-270; 2А - 300-400 м3 метана.
Например, в Томь-Усинском районе в интервале разреза скважины 8790 "Томской Глубокой" наиболее крупные генераторы газа сосредоточены в верхне- балахонской подсерии (коэффициент ее угленосности 8%) над Сыркашевском силлом. В этой подсерии (на площади всего 16 км2) только угольными пластами
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2015 ISSN 2410-700Х_
генерировано около 180-280 млрд. м3 метана. К настоящему времени в угольных пластах сохранилось около 28 и 0,5 млрд. м3 метана — и скоплениях свободного газа Сыркашевской газоносной зоны.
По ориентировочной оценке, только па площади Поля шахты "Томской Глубокой" до глубины 2,2 км (до пласта LXV) при углефикации генерировано около 0,25-0,37 трлн. м3 метана, при этом па 1 км2 образуется 15,7-23,2 млрд. м3 метана. Коэффициент сохранности метана в угленосной толще (точнее только в угольных пластах) составляет 0,09-0,14. Ресурсы метана, сохранившиеся в угольных пластах оцениваются в 34,7 млрд. м3 1,5 - в скоплениях свободных газов [84].
Согласно современным представлениям природные газы в угленосных толщах могут находиться в четырех фазовых состояниях:
- в свободной фазе. Такое состояние газов возможно в трещинах, кавернах, макро - и субмакропорах, размеры которых превышают длину свободного пробега молекулы газа при соответствующих термобарических условиях;
- в виде конденсированной приповерхностной фазы. В этом слое плотность "газообразных" веществ выше, чем плотность газа в свободной фазе. Такое состояние в приповерхностном слое соответствует адсорбированному состоянию, обусловленному силами "Ван-дер-Ваальса";
- в виде твердого раствора. Метан, его гомологи и другие подобные вещества находятся в микропустотах ("ультрамикропорах" или молекулярных дислокациях в виде "твердого раствора"), состоящего из угля, метана и других веществ "газового ряда";
- в кристаллогидратной форме. При наличии свободной воды в трещинах и порах, диаметр которых больше тысяч ангстрем, известны кристаллогидраты метана, этапа, пропана, сероводорода и двуокиси углерода.
Эти формы фазовых состояний присущи и угольным пластам, и горным породам, но эффекты сорбции проявляются в углях значительно сильнее, нежели в межугольных породах.
Сорбция (по терминологии Мак-Бена) - это совокупность адсорбции и абсорбции. Один процесс может превалировать над другим, однако оцепить количественно раздельно адсорбцию и абсорбцию при экспериментах не представляется возможным1.
Исследуя природу генерации метана на примере нашего региона, следует рассмотреть оценку метана угольных пластов как перспективную задачу для преобразования экологии, технологии добычи полезных ископаемых и повышения социального потенциала кузбассовцев. В этой связи геолого-технологический подход является необходимым инструментом в изучаемом вопросе.
Подсчет запасов и ресурсов метана зависит от следующих факторов:
• практической потребности в газе и экономической целесообразности его добычи;
• геологической среды и форм нахождения метана;
• величины его залежей (скоплений);
• технологии извлечения, экологической обстановки и доступности освоения.
Отличия в технологиях извлечения газов таких различных форм их существования (свободного, сорбированного, водорастворимого) диктуют необходимость разного подхода к оценке ресурсов и перспектив освоения УВ-газов (в основном метана) как полезного ископаемого в угольных пластах и в залежах (скоплениях) свободных газов в породах.
Метан угольных бассейнов как полезное ископаемое в настоящее время приходится оценивать с двух принципиально различных позиций, отражающих его двойственную геолого-экономическую сущность:
- метан — самостоятельное полезное ископаемое (генетически и пространственно сопутствующее углю), добыча которого может осуществляться самостоятельным газовым промыслом, по принципу экономической целесообразности и потребности в газе;
1 Адсорбция - уплотнение адсорбата (метана и его гомологов) а приповерхностном слое адсорбента (угля как твердого поглотителя); абсорбция - поглощение сорбентом метана и его гомологов путем проникновения и массу твердого тела.
29
IH)
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2015 ISSN 2410-700Х_
- метан — попутное полезное ископаемое, извлечение которого осуществляется средствами шахтной дегазации при добыче угля, для обеспечения газобезопасности.
Критериями промышленной значимости ресурсов метана угольных пластов для самостоятельной коммерческой его добычи (независимо от добычи угля) является ее рентабельность, которая предопределяется глубинами освоения, геологическими особенностями и угленосностью объектов, газоносностью и фильтрационными свойствами пластов. От развития технологий зависят перспективы комплексного освоения метаноугольных месторождений с промышленной добычей метана из угольных пластов па площадях, не подлежащих освоению в ближайшей перспективе, па нижних этажах бассейнов, не осваиваемых угольной отраслью, что особенно важно для Кузбасса (табл. 1).
Таблица 1
Геолого-технологический и геолого-экономический подход к оценке метана как полезного
ископаемого
Показатель Метан-попутное полезное ископаемое Метан-самостоятельное полезное ископаемое
Этапность и последовательность добычи угля Опережающее извлечение метана перед добычей угля дял обеспечения газобезопасности горных работ Промысловая широкомасштабная добыча метана не зависимо от добычи угля
Месторождения, площади, участки, на которых намечается добыча метана Поля действующих и строящихся шахт Площади, где не ведется угледобыча: - на разведываемых и не разрабатываемых угольной отраслью площадях, смежных с действующими шахтами; - на новых разведанных газоносных угольных месторождениях; - на нижних этажах бассейнов, пока не доступных для угледобычи
Технология извлечения (добычи) метана Дегазация угольных пластов по современной шахтной технологии Коммерческая добыча метана поверхностными скважинами из угольных пластов по передовым эффективным промысловым технологиям
Организация, добывающие метан Шахты или углегазовый промысел Углегазовый промысел
Затраты на извлечение (добычу) метана Относятся на себестоимость добываемого угля Относятся на стоимость добываемого метана
Затраты на использование метана Относятся на стоимость метана Относятся на стоимость метана
Все затраты в этом случае и на извлечение и на утилизацию, естественно, будут относиться на добываемый метан, поэтому дебит скважин должен быть не менее 10 тыс. м3/сут. по совокупности всех промысловых скважин (активных, затухающих и неудачных). Средине дебиты в активный период (10-15 лет) работы скважин должны быть не менее 20-40 тыс. м3/сут. Извлекаемость метана из недр должна составлять 60-70%.
Метан, добываемый самостоятельным углегазовым промыслом, может стать постоянным энергетическим ресурсом для отдельных регионов, особенно углепромышленных, таких как Кузбасс.
Попутно добываемый метан угольных месторождений может служить дополнительным энергетическим ресурсом, прежде всего, для предприятий угледобывающей отрасли. Необходимость дегазации высокогазоносных угольных пластов и скоплений свободных газов в породах определяется не столько рентабельностью извлечения из них метана и его использования, сколько той угрозой, которую они представляют для угольных шахт.
Распределение ресурсов метана по основным стратиграфическим подразделениям и по горизонтам в районах Кузбасса показаны на рис. 2.
Рисунок 2 - Прогнозная карта распределения ресурсов метана в угольных пластах основных стратиграфических подразделений по геолого-промышленным районам Кузбасс
Прогнозные ресурсы метана в скоплениях свободных газов по последней оценке, выполненной до глубины 1,8 км по 55 перспективным антиклинальным структурам Кузбасса в сумме составляют 98,5 млрд. м3 (что составляет 0,7% от ресурсов метана в угольных пластах этого бассейна, оцененных до той же глубины). Ресурсы метана в скоплениях свободных газов, оцененные в пределах одной структуры колеблются от 0,08 до 6,9 млрд. м3 (рис. 3).
Рисунок 3 - Схематическая карта распределения прогнозных ресурсов метана в скоплениях свободных газов оцениваемых антиклинальных структур Кузнецкого угольного бассейна
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2015 ISSN 2410-700Х_
В основу методологии оценки перспектив промысловой добычи метана в угольных бассейнах положен принцип поэтапного освоения (с опережающей добычей газа) метаноугольных месторождений, выделения перспективных площадей и подготовки сырьевой базы для углегазовых промыслов.
Перспективность метаноугольных бассейнов для добычи метана предопределяется геологической историей развития и геотектоническими особенностями бассейнов и их месторождении. Так, например, высокая перспективность Южного Кузбасса обусловлена наличием в разрезе двух циклов угленакопления, генерации газов и мощных их аккумуляторов - угленосной толщи балахонской и кольчугинской серий с суммарной мощностью пластов до 260-320 м при чрезвычайно высокой углеплотности до 75-105 млн. т/км2 только в границах оценки ресурсов угля, т.е. до глубины 1800 м (-1500 м абс.), а плотность ресурсов метана при этом достигает 2-3 млрд. м3/км2.
Возможность добычи метана из угольных пластов вблизи потребителей па площадях с крупными масштабами и высокой плотностью его ресурсов делает метан наиболее перспективным из нетрадиционных источников энергии.
На первом этапе оценка перспективности, выбор площадей, определение основных объектов исследований (свит, продуктивных групп пластов), мест заложения скважин для опытно-промышленных испытаний осуществляется по геологоразведочным данным по совокупности геолого-технологических критериев.
Второй этап оценки перспективности площадей для промысловой добычи метана проводится по результатам тестовых и опытно-промышленных работ. На этом этапе оценки обосновывается технологическая (возможность и экономическая целесообразность, либо бесперспективность развития углегазового промысла на оцениваемой площади.
Исключение представляет критерий проницаемости угольных пластов, который временно принимается как граничный критерий перспективности. Рельеф, ландшафт (болота, тайга, пашня и др.), наличие рек, мостов, дорог имеют локальное значение для организации и экономики углегазовых промыслов и поэтому учитываются индивидуально на втором этапе опытно-промышленной оценки метаноугольных месторождений при составлении ТЭО и проектировании промысловых полигонов.
На опытно-промышленном этапе также оцениваются возможные масштабы извлекаемой (при газовом промысле) воды, проблемы её сбора и захоронения, а также сохранения в недрах пресных и полезных минерализованных вод.
Глубины залегания пластов, как и тектонические напряжения в массивах угленосных толщ, способствуют закрытию трещин, затрудняют активизацию (интенсификацию) газоотдачи пластов. При растяжениях или умеренных боковых напряжениях сжатия массивов оптимальные глубины для эффективной рентабельной добычи метана из угольных пластов составляют 300-1500 м (при наиболее благоприятных от 500-600 до 1000-1200 м).
Ресурсы метана в угольных пластах, обеспечивающие продуктивную работу углегазопромыслового полигона (базирующегося на одном или нескольких участках) в течение 20-25 лет при ежегодной добыче от 1 до 5 млрд. м3 по приближённой ориентировке должны быть более 50-75 млрд. м3. Этому требованию соответствуют 17 площадей и участков Ерунаковского, Терсинского и Томь-Усинского районов.
Особо благоприятные условия для добычи метана имеются в Кузбассе, поскольку в разрезе промысловых скважин (до глубины 1,8 км) суммарная мощность газопродуктивных угольных пластов может достигать 90-105 м при метаноносности 20-30 м3/т. В таких условиях (в Ерунаковском и Томь-Усинском районах на Таллинской, Нарыкско-Осташкинской, Томской и др. площадях) возможна добыча из 4-6 продуктивных групп угольных пластов со средними дебитами в активный период (10 -15 лет) действия скважин около 20-30 тыс. м3/сут.
Зольность углей - пластовый фактор, снижающий метаноносность пластов, понижающий проницаемость, повышающий крепость угля и препятствующий гидроразрыву и кавитации пластов. При зольности более 30-35% эффективность добычи метана из угольных пластов падает. Такие пласты
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2015 ISSN 2410-700Х_
малоперспективны.
Наличие витринитовых пачек в угольных пластах, способствует развитию кливажа. А кливаж - это "дорога" метана по пласту к стволу скважины. Количественного критерия перспективности промыслового извлечения метана из угольных пластов с разным содержанием витринита ещё нет. Пока можно только предполагать: чем больше витринита, тем лучше. He 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, обогащённым фюзинитом (до 60-70%).
Газопроницаемость угольных пластов, как и наличие самого метана, - важнейшее свойство пластов, необходимое для добычи метана. Без проницаемости, без возможности техногенного ее повышения и стимулирования газоотдачи пластов нет и перспектив добычи метана из угольных пластов. На всех перспективных объектах для промысловой добычи метана первоочередными и наиболее благоприятными будут пласты углей средних групп метаморфизма (Г, Ж, К) с показателем отражения витринита от 0,7 до 1,3% при метаноносности от 10 до 25-35 м3/т, угленосности продуктивных интервалов (групп пластов) более 10% и плотности ресурсов 1-2 млрд. м3/км2 при глубине 1,8 км. Таким требованиям в первую очередь отвечают месторождения, площади, участки и структуры Ерунаковского, Терсинского и Томь -Усинского районов Южного Кузбасса.
Обобщение литературных источников и зарубежного опыта показывает, что проницаемость угольных пластов, перспективных для добычи метана, должна превышать 5 мД, а в наиболее благоприятных зонах повышенной проницаемости - 20 мД. В Ерунаковском районе на Талдинской и Нарыкской площадях, но данным замеров в пилотных скважинах, проницаемость угольных пластов достигает 30 и более мД.
В юго-восточной части Кузбасса выделены геолого-промышленные районы с наиболее благоприятными условиями для добычи метана из угольных пластов. Это Ерунаковский (2,9 трлн. м3), Терсинский (1,0 трлн. м3), Томь-Усинский и Мрасский районы (1,9 трлн. м3).
В приоритетной подгруппе к первоочередным объектам отнесены Талдинская, Нарыкско-Осташкинская, Томская и Распадская площади. Изученность тектоники, мощности угольных пластов (как коллекторов газа) на верхних горизонтах обеспечивает достоверность прогнозирования гипсометрии, мощности и метаноносности угольных пластов на глубоких горизонтах, что подтверждается результатами бурения пилотных керновых скважин на Томской, Талдинской и Новоказанской площадях.
После проведения исследовательских геолого-промысловых работ и опытно-промышленных испытаний будут конкретизированы первоочередные эксплуатационные объекты самостоятельного углегазового промысла. Co временем углегазовым промыслом будет охвачен почти весь Кузбасс (во всяком случае, до глубин 2 км), а в обозримом будущем и его нижние этажи.
Рассматривая перспективы преобразования отраслей топливно-энергетического комплекса в Кузбассе, следует решить следующие задачи:
1) стабилизировать долю природного газа в общем энергопотреблении в пределах 51 - 53 процентов и долю нефтепродуктов на уровне 18-19 процентов;
2) углубить электрификацию транспорта, бытовых и производственных процессов на базе новых технологий производства и аккумулирования электроэнергии и развития интеллектуальных энергосистем с прекращением роста в этих процессах расхода органического топлива;
3) остановить рост потребления органического топлива котельными и наращивание использования газа электростанциями;
4) наращивать производство топливно-энергетических ресурсов в странемедленнее темпов роста внутреннего потребления за счёт оптимизации их экспорта;
5) увеличить долю природного газа в общем производстве энергоресурсов при снижении в 1,3 раза доли нефти;
6) увеличить в 1,4 раза долю неуглеродных энергоресурсов, особенно атомной энергии.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2015 ISSN 2410-700Х_
Поставленные задачи будут решаться с использованием следующих направлений государственной энергетической политики:
1) обеспечение межтопливной конкуренции взаимозаменяемых энергоносителей (газ, уголь);
2) стимулирование развития производства энергетических продуктов с высокой добавленной стоимостью;
3) стимулирование применения газомоторного топлива на общественном транспорте;
4) стимулирование развития угольной отрасли за счет мер по субсидированию железнодорожных перевозок угля;
5) обеспечение равной доходности поставок основных видов топлива на внутренний рынок и на экспорт;
6) поддержка долгосрочной политики преобразования экологических источников энергии (особенно возобновляемых источников энергии и «чистых» угольных технологий, а также атомной энергетики);
7) повышение роли отчетных и прогнозных топливно-энергетических балансов как инструмента анализа и устранения диспропорций, эффективного управления развитием топливно-энергетического комплекса и его отраслей (без придания этим балансам директивного характера), включая переход на формирование отчетных и прогнозных топливно-энергетических балансов в структуре, соответствующей международным стандартам.
В связи с новым подходом к угольному метану как полезному ископаемому, цель комплексного изучения газоносности угольных месторождений теперь состоит не только в получении исходных данных для обеспечения газобезопасной добычи угля, но и в оценке перспектив комплексного освоения газоносных угольных месторождений с попутной или самостоятельной добычей метана в Кузбассе. Список использованной литературы:
1. Биологический словарь. Архебактерии. Электронный ресурс: http://sbio.info/page.php?id=10497
2. Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР. - Т. 2. Угольные бассейны и месторождения Сибири, Казахстана и Дальнего Востока. М.: Недра, 1979. - С. 454.
3. Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР. - Т. 3. Генезис и закономерности распределения природных газов угольных бассейнов п месторождении СССР. - М.: Недра, 1980. - С. 217.
4. Ермаков В.И. Образование углеводородных газов в угленосных н субугленосных формациях / В.И.Ермаков, В. А. Скоробогатов. - М.: Недра, 1984.
5. Зимаков Б. М. Перспективы промысловой добычи метана из угольных пластов в России. Международная конференция "Горная промышленность России на рубеже XX-XXI веков" / Б. М. Зимаков, Н. Г. Матвиенко, Е.А.Козловский, В.Т.Хрюкин и др. /Доклады. - М., 1994.
6. Зимаков Б. М. Пути решения экологических проблем при промысловой добыче метана из угольных пластов / Б. М. Зимаков, Н. Г. Матвиенко, В. Т. Хрюкии, В. Ф. Твер- дохлебов, С. С. Золотых, В. Т. Данилов, А. В. Подыарков, Г. Н. Шаров, В. Г. Натура / Препринт Российского метанового центра. - № 1, апрель 1998 (вып. 13), Кемерово.
7. Карасевич А.М. Кузнецкий бассейн - крупнейшая сырьевая база промысловой добычи метана из угольных пластов/ А. М. Карасевич, В. Т. Хрюкии, Б. М. Зимаков, Н. Г. Матвиенко, С. С. Золотых, В. Г. Натура, Т. С. Попова. -М.: Академия горных наук. - 2001. - С. 62.
8. Почему стоит перевести машину на метан. http://5koleso.ru/articles/garazh/pochemu-stoit-perevesti-mashinu-na-metan
9. Ступаков В. П. Результаты оценки прогнозных ресурсов попутных газов угольных месторождений. Геолого-геофизические методы прогноза угленосности / Ступаков В. П., Ефремова А. Г., Колесник В. Я., Зимаков Б. М. и др. / Сб.научи, трудов. - ВНИГРИуголь. Ростов-на-Допу. - 1993. - С. 189-196.
10. Тайлаков О. В. Перспектива развития попутного извлечения и использования шахтного метана в Кузнецком угольном бассейне. Сокращение эмиссии метана / О. В. Тайлаков, Д. В. Богачев, Д. В. Исламов, А. Г. Санковский / Докл. II Междунар. конференции. - Новосибирск: Изд-во CO РАН, 2000. - С.
____МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №9/2015 ISSN 2410-700Х_
568-574.
11.Успенский В. А. Опыт материального баланса процессов, происходящих при метаморфизме
угольных пластов. - Известия АН СССР. Серия геологическая. — Ns 6. —1954.
12.Черняев А. В. и др. Геологические предпосылки, экономическая и экологическая необходимость создания промысла по добыче метана в Кузбассе как новой отрасли топливно-энергетической промышленности. Международный симпозиум "Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения". Тезисы докл. - Т. II. ВНИГРИ. - С.-П6. - 1992. - С. 54-55.
13.Шаров Г. Н. Угольный газ Кузбасса и перспективы его промышленного освоения. Международный симпозиум "Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения" / Г. Н. Шаров, Ю. К. Березиков, А. П. Авдеев и др. / Тезисы докл. - Т. II. ВНИГРИ. - С.-П., 1992. - С. 56.
14. Экологичность газомоторного топлива. Электронный ресурс: http://gazprom-gmt.ru/press-center/newsotrasl/Toplivo_buduschego_ili_pyat_prichin_zapravlyatsya_metanom
15. Boyer С.М., II, Kelafant J.R., Kruger D. / Diverse Projects Worldwide Include Mined Unmined Coals // Oil and Gas Journal, December 14. - 1992. - P. 36-41.
16. Kuuskraa V.A., Boyer C.M II / The coal gas industry in United States: New technology for a New Industry // Unconventional Hydrocarbon Resourses International Symposium., St. Petersburg, 1992.
17. Kuuskraa V.A., Boyer C.M. II, Kelafant J.A. / Hunttor quality basins goes abroard // Oil & Gas Journal, Oct. 5, 1992, стр. 49 (Coalbed Gas-1).
18. Logan T.L. Cavity completion optimization and application to other reservoirs / GRI open-hole cavity completion workshop Denver, Colorado. April 25, 1993.
19. Logan T.L. Western basins dictate varied operations / OiI & Gas Journal, October 9, 989. - P. 26-30.
20. Mavor M. J., McBane R.A / Western Crectaceous Coal Seam Project / Quarterly Review of Methane from Coal Seams Technology. Volume 9, № 2, January. - P. 17-22.
21. Palmer D. Ian, Lambert W. Steve, Spitler L. Jeff / Coalbedmethane well completions and stimulations / Hydrocarbons from coal, AAPG Stadies in geology № 38, Tul- sa,Oklahoma, USA, 1993. - PP. 303-322, 326, 335336.
© Г. И Трофимова, В.Г. Черемисина, 2015
