CC BY
82ТЕКСТ: а.я. хавкин, ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ НЕФТИ И ГАЗА РАН
Особенности метанопроявлений в угольных пластах
В соответствии с данными ОАО «Газпром» [1] в недрах осваиваемых и перспективных угольных бассейнов сосредоточена значительная часть спутника углей — метана, ресурсы которого в угольных бассейнах соизмеримы с ресурсами газа традиционных месторождений мира. Концентрация метана в смеси природных газов угольных пластов составляет 80-98%. В связи с этим такие бассейны следует рассматривать как метаноугольные, подлежащие комплексному поэтапному освоению, с опережающей широкомасштабной добычей метана. Прогнозные ресурсы метана в основных угольных бассейнах России составляют 84 трлн м3, что соответствует третьей части прогнозных ресурсов природного газа страны [2].
Необходимость, возможность и экономическая целесообразность промысловой добычи метана из угольных пластов подтверждается опытом освоения метаноугольных промыслов в США, которые занимают лидирующее положение в мире по уровню развития новой газовой отрасли. В США добыча угольного метана резко возросла от 5 млрд м3 в 1990 г. до 27,6 млрд м3 в 1995-м, а в 2005 г. достигла 50 млрд м3, что составило около 8% от добычи природного газа в США. Промышленная добыча метана угольных пластов ведется в Австралии, Канаде и Колумбии [1].
До недавнего времени в России метан из угольных пластов извлекался только попутно на полях действующих шахт системами шахтной дегазации, включающими скважины, пробуренные с поверхности. Этими системами в последние годы в Печорском и Кузнецком бассейнах извлекалось около 0,5 млрд м3 метана в год. В 2003 г. ОАО «Газпром» приступил к реализации проекта по оценке возможности промышленной добычи
40 газохимия май-июнь 2010
наш сайт в интернете: www.gazohimiya.ru ИССЛЕДОВАНИЯ
метана из угольных пластов в Кузбассе. В Ерунаковском районе Кемеровской области на Талдинской площади Кузбасса пробурены 4 экспериментальные скважины, где в 2004 г. получены первые притоки газа. Кроме того, были подготовлены методики подсчета запасов метана угольных пластов, разработаны и апробированы технологии добычи метана, создана нормативная база, обеспечивающая освоение ресурсов метана угольных пластов и экологическую безопасность метаноугольных промыслов.
Приобретение ОАО «Газпром» в 2007 г. контрольного пакета компании ООО «Геологопромысловая компания Кузнецк», владеющей лицензией на поиск, разведку и добычу метана угольных пластов угольных месторождений с ресурсами более 6 трлн м3 газа, означает создание в России новой отрасли ТЭК по добыче метана угольных пластов [1]. 12 февраля 2010 г. в Кузбассе была запущена первая скважина по добыче газа из угольных пластов Талдинского месторождения, на котором утвержденные Минприродой РФ запасы газа по категориям С1+С2 составляют 45,8 млрд м3 [2].
Анализ способов воздействия на уголь как с целью отобрать природный газ, так и для обеспечения более безопасного ведения штрековой добычи угля [3-6], привел автора к выводу [7], что при этом не учитывается нанораз-мерный уровень пор угля. В угле есть поры диаметром 10-100 нм, и особенно много пор диаметром менее 10 нм [8]. Поэтому уголь является нанокол-лектором (размер пор до 100 нм) природного газа [9] и его добыча и борьба с выбросами природного газа должны ориентироваться на работу с закрытыми наноразмерными порами.
Существуют два принципиально разных способа добычи угольного метана: шахтный (на полях действующих шахт) и скважинный [1]. Шахтный способ обеспечивает получение метана в небольших количествах, в основном для собственных нужд угледобывающих предприятий. Использование данного способа затруднено из-за значительных колебаний объемов поступающей газовоздушной смеси и концентрации в ней метана. Извлечение метана с помощью специально пробуренных скважин обеспечивает возможность добычи газа в промышленных масштабах.
Защита штреков от выбросов метана осуществляется смачиванием угля [3-5]. При увлажнении угля для предотвращения выделения метана в штреки при шахтной добыче угля необходимо использовать реагенты, способ-
До недавнего времени в России
метан из угольных пластов извлекался только попутно на полях действующих шахт системами шахтной дегазации, включающими скважины, пробуренные с поверхности. Этими системами в последние годы в Печорском и Кузнецком бассейнах извлекалось около 0,5 млрд м3 метана в год
ные удерживать газ в наноразмерных порах. Если не учитывать наноразмер пор при выборе химреагентов, произойдет их движение только по трещинам и открытым порам. При этом наноразмерные поры останутся не задействованными в процессе смачивания угольной породы и при небольших сдвиговых подвижках, естественных при штрековой добыче, может произойти соединение этих наноразмерных пор, и метан из них вырвется в штрек.
В наноразмерных порах движение фаз имеет свои особенности. Наногидродинамика, или нанофлюиди-ка (англ. ШпоАшШсб), — это раздел нанонауки, изучающий поведение и способы управления жидкостями, которые ограничены нанометровыми структурами, и в то же время это раздел нанотехнологий управления этими процессами, например, для смешивания лекарств [10]. На наноуровне жидкости проявляют свойства, нетипичные для размеров более 100 нм. Это обуславливается тем, что расстояние влияния электрических зарядов в жидкости (дебаевская длина) и гидродинамический радиус структур жидкости (ионов, молекул) становятся сравнимы с нанометровыми
50 млрд м
3 достигла добыча угольного метана в США в 2005 г., что составило около 8% от добычи природного газа в США
размерами ограничивающей структуры. На нано-метровом масштабе жидкости проявляют нетипичные свойства, например резкое увеличение вязкости возле стенок нанокапилляров, изменение термодинамических параметров жидкости, а также нетипичную химическую активность на границе раздела твердой и жидкой фаз. На границе раздела фаз образуются поверхностные заряды — наэлектризованные поверхности с характерным распределением заряда, известным как электрический двойной слой. В порах нанометрового диаметра двойной слой может полностью перекрыть ширину поры, что ведет к существенному изменению структуры жидкости и, следовательно, процесса движения жидкости в наноструктуре [10].
В наноразмерном диапазоне наиболее важным с точки зрения взаимодействия электрических и гидродинамических полей является градиентный характер силы со стороны электрического поля на среду [11], что и создает толкающий градиент, например при закачке воды в нефтяные пласты [12]. В порах радиусом 1-100 нм происходит расслаивание молекул адсорба-та за счет перекрытия потенциалов взаимодействия стенок поры. При этом неоднородное распределение поверхностного потенциала ведет к появлению в пористых средах множественности локальных областей с сосуществующими фазами пар — жидкость [13].
Изучение молекулярного транспорта в узких каналах шириной 10-30 нм принципиально важно для
исследования процессов смачивания, пропитки и сушки дисперсных систем, а также процессов переноса веществ в различных грунтах. Плотность флюида в пористых системах может меняться в значительных пределах. Поэтому учет фазовых переходов, в том числе капиллярной конденсации, представляет собой одну из сложнейших проблем теории переноса. Условия фазовых переходов расслаивания для веществ, адсорбированных в узких порах, существенно отличаются от условий сосуществования макроскопических фаз. Потенциал стенок пор меняет условия капиллярной конденсации, уменьшая критическую температуру. Эти условия сильно зависят от структуры пористой системы, и в первую очередь принципиальное значение имеет характерный размер пор. На условия конденсации адсорбата влияют также неоднородность стенок пор и распределение пор по размерам. В свою очередь, фазовые распределения адсорбата, как и структура пористой системы, влияют на все его динамические характеристики [14].
Изучение течения газа и жидкости в нанотрубках (радиусом 1-100 нм) показало, что молекулы у твердой стенки и атомы стенки при конечной температуре стенки совершают хаотическое движение и что в определенном интервале чисел Кнудсена (отношение длины свободного пробега атома к сечению трубки) наблюдается скольжение газа у стенки [15, 16]. В нефтегазовой гидродинамике известно проскальзывание нефти в газонасыщенной пористой среде [17]. По-видимому, такое движение молекул в наноразмерных порах является объяснением этого.
Исследования также показали, что вследствие высокой теплопроводности и малых размеров нанотрубок течения газов являются вязкими, а в одномерном приближении, аналогичном газовой динамике, течение ближе к изотермическому, чем адиабатическому, что приводит к особенностям типа существования ударных волн разрежения [11]. Кроме того, исследования эффективной вязкости слабоминерализованной воды (менее 0,4 г/л №С1) в тонкопористых песчаниках со средним радиусом 0,5-4 мкм, показало, что вязкость возрастает в 1,5-2 раза по сравнению с вязкостью той же жидкости в вискозиметре [18].
Особенностью нанопор являются: очень большое отношение поверхности к объему; размеры канала сравнимы с размерами молекул, движущихся по каналам; флуктуации плотности могут быть велики, в отличие от макротечений; транспортные свойства (вязкость, диф-
42 газохимия май-июнь 2010
фузия, теплопроводность) могут содержать размерные факторы (как в турбулентности); взаимодействие нано-потока со стенкой может быть определяющим фактором; в нанопотоках наблюдаются явления, не существующие в макрогидродинамике. Так, поверхность пор в объеме 1 см3 наноканалов может иметь площадь 4000 м2 (40 соток) [15]. Кроме того, движение в наноколлекторах с уменьшением радиуса пор становится для ряда флюидов неконтинуальным (не непрерывным), что показало сравнение особенностей движения потока внутри канала размером 50 нм и канала размером 5 нм при визуальном изучении [15]. В то же время эти исследования показали возможность движения жидкости в наноразмерных каналах.
Движение жидкости в капилляре подчиняется закону Пуазейля, в соответствии с которым объемный расход жидкости Q связан с перепадом давления АР, длиной капилляра L, радиусом капилляра г и вязкостью жидкости ц соотношением [19]: Q= тс-Г'-АР/^-цлЬ). (1)
Закон Дарси, устанавливает следующую связь скорости и и перепада давления: и= к-АР/(ц-Ц). (2) Откуда [19]: г = -^Ш/ш. (3)
Как показывает анализ [20], капиллярный гистерезис для продвижения фаз в пористой среде определяется величиной наименьшего сужения пор. Если рассмотреть низкопроницаемую пористую среду с размером сужения пор г=50 нм и считать, что сужение составляет 0,1 от среднего радиуса пор, то тогда средний радиус пор будет равен 500 нм = 0,5 мкм. В соответствии с формулой (3) значение проницаемости к, соответствующее этому значению среднего радиуса при пористости т=0,2 будет около 0,003 мкм2. Такие значения керно-вой проницаемости характерны даже для коллекторов с проницаемостью 0,03-0,3 мкм2 [21].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Перспективы освоения ресурсов метана угольных бассейнов России: справочные материалы [Электронный ресурс]: http://www.gazprom.ru/ (дата обращения: 21.03.2008).
2. Газпром запустил первый в России промысел по добыче угольного газа [Электронный ресурс]: http://www.gazprom.ru/press/news/2010/febru-агу/агйс!е76331/ (дата обращения 12.02.2010).
3. Изменение пористости угля при увлажнении пласта водными растворами ПАВ [Текст] / Е.И. Питаленко, Т.А. Василенко, О.В. Маевский, Л.В. Шевченко. — Донецк: ДонФТИ НАНУ, 1999.
4. Морозов Н.Ф. Снижение газовыделения в угольных шахтах [Текст] / Н.Ф. Морозов, В.К. Тарасенко. — Киев: Технка, 1972. — 160 с.
5. Алексеев А.Д. Обработка выбросоопасных пластов водными растворами ПАВ [Текст] / А.Д. Алексеев, Г.П. Стариков, М.Ф. Малюга, О.С. Аносов. — Киев: Технка, 1988. — 86 с.
6. Шафраник Ю.К. Реструктуризация угольной промышленности России. Новая парадигма развития [Текст] / Ю.К. Шафраник, Ю.Н. Малышев, Г.И. Козовой. — М.: Нефть и газ, 2004. — 384 с.
7. Хавкин А.Я. Уголь как наноколлектор природного газа [Текст]: Мат. конф. «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиям», Москва 18-19 ноября 2008 г. / А.Я. Хавкин. — М.: Нефть и газ, 2008. — С. 236237.
8. Жекамухов М.К. К проблеме внезапных выбросов угля в шахтах [Электронный ресурс]: Электронный журнал «Исследовано в России» / М.К. Жекамухов, И.М. Жекамухова. — М., 2003. — № 4. — С. 526-538.
9. Хавкин А.Я. Нанотехнологии в добыче нефти и газа [Текст] / А.Я. Хавкин. — М.: ПЦ «НТИС»; Спутник, 2008. — Изд. 1. — 148 с.
10. Нанофлюидика [Электронный ресурс]: http://www.portalnano. ш/геа^ tezaurus/deflnitions/nanoflu¡dics.
11. Сон Э.Е. Фундаментальные и прикладные проблемы современной электрогидродинамики [Электронный ресурс]: http://ehd.pmf.ru/arti-c!es/pdfs/2_98.pdf.
Без изучения и учета
наноразмерных свойств угля как резервуара природного газа задачи рационального и эффективного извлечения метана или его консервации для обеспечения безопасного ведения шахтной разработки без метанопроявлений реализовать будет невозможно
Будем считать, что длина сужения L= 1 нм. Тогда при вязкости нефти 5 мПа-с в соответствии с формулами (1) и (2) получим, что даже для обеспечения скорости движения нефти 15 м/сут (дебит скважины 100 м3/сут) через это сужение потребуется перепад АР = 3'10-7 МПа. Однако градиент давления АРД при этом должен составить 3'10-7 МПа/1 нм = 3-102 МПа/м. Для газа вязкости 0,002 мПа-с этот градиент составит 10-1 МПа/м. Оба этих значения значительно превышают градиенты, реализуемые в теле нефтяного или газового пласта. Так, в теле нефтяного пласта АРД = 10 МПа/100 м = 10-1 МПа/м, а в теле газового пласта АРД = 1 МПа/1000 м = 10-3 МПа/м.
Изложенное означает, что в наноразмерных капиллярах движение происходит по другим законам, поскольку, как известно из медицины, в человеческих капиллярах (тоже наноразмерных) кровь движется без таких высоких градиентов. Поэтому для создания технологий извлечения газа из угля необходимо изучать закономерности движения флюидов в наноразмерных каналах.
Таким образом, без изучения и учета наноразмерных свойств угля как резервуара природного газа задачи рационального и эффективного извлечения метана или его консервации для обеспечения безопасного ведения шахтной разработки без метанопроявлений реализовать будет невозможно. ГХ
12. Хавкин А.Я. Гидродинамические основы разработки залежей нефти с низкопроницаемыми коллекторами [Текст] / А.Я. Хавкин. — М.: МО МАНПО, 2000. — 525 с.
13. Товбин Ю.К. Расслаивание адсорбата в узкопористых материалах [Текст] / Ю.К. Товбин // Журнал физической химии, 2008. — Т. 82. — № 10. — С. 1805-1820.
14. Товбин Ю.К. Молекулярный транспорт в узких каналах [Текст] / Ю.К. Товбин, Р.Я. Тугазаков, В.Н. Комаров // Российский химический журнал (Журнал Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2008. — Т. LII. — № 5.
15. Сон Э.Е. Наногидродинамика [Электронный ресурс]: презентация. Мат. конф. «Международный форум по нанотехнологиям», Москва, РОСНАНО, 3-5 декабря 2008 г. http://www.rusnanoforum.ru/cgi-bin/ show.pl?option=flv_page&id=33.
16. Bazant M.Z., Vinogradova О.1. Tensorial hydrodynamic slip // J. Fluid Mech., 2008, vol. 613, pp. 125-134.
17. Гиматудинов Ш.К. Физика нефтяного и газового пласта [Текст] / Ш.К. Гимаутдинов. — М.: Недра, 1971. — 282 с.
18. Кадет В.В. Эффективная вязкость минерализованной воды при течении в пористой среде. Теория и эксперимент [Текст] / В.В. Кадет, А.С. Корюзлов // Теоретические основы химической технологии, 2008.
— Т. 42. — № 5.
19. Мирзаджанзаде А.Х. Физика нефтяного и газового пласта [Текст] / А.Х. Мирзаджанзаде, И.М. Аметов, А.Г. Ковалев. — Ижевск: Изд-во Инст-та компьютерных исследований, 2005. — 280 с.
20. Хавкин А.Я. Влияние физико-химических факторов и процессов на капиллярный гистерезис в пористых средах [Текст] / А.Я. Хавкин, Б.Д. Сумм, В.Д. Должикова, О.А. Соболева // Проблемы разработки трудноизвлекаемых запасов нефти: тр. ОАО «ВНИИнефть». — М., 2000.
— Вып. 123. — С. 83-121.
21. Хавкин А.Я. Геолого-физические факторы эффективной разработки месторождений углеводородов [Текст] / Под общ. ред. акад. А.Н. Дмитриевского. — М.: ИПНГ РАН; Спутник, 2005. — 312 с.
