CC BY
29
© Л.А. Пучков, С.В. Сластунов, А. В. Агарков, 2004
УДК 622.23:622.411.33
Л.А. Пучков, С.В. Сластунов, А.В. Агарков
ПРЕДПРОЕКТНАЯ ПОДГОТОВКА И ОБОСНОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ ПО ОЦЕНКЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОМЫШЛЕННОЙ ДОБЫЧИ МЕТАНА В ПЕЧОРСКОМ УГОЛЬНОМ БАССЕЙНЕ
Семинар № 5
ТУ последние годы по инициативе ОАО
-Я-М «Газпром» ведутся работы по организации широкомасштабной добычи метана в Кузбассе. Несомненный интерес представляет также оценка возможности промышленной добычи метана из угольных пластов в Печорском угольном бассейне. МГГУ начал эту работу в 1998 г. на полигоне МГГУ - ЭПУР (экспедиция «Печоруглеразведка») на поле шахты «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь», которая с 2001 г. финансировалась Министерством природных ресурсов и окружающей среды Республики Коми. Предполагается на настоящем этапе также подключение к этой работе ОАО «Газпром».
Целью работы является оценка метанодобы-ваемости из угольных пластов на шахтных полях Воркутинского месторождения на базе первичной геологической информации по газоносности угленосной толщи и ее природной газопроницаемости с учетом технологических возможностей по управлению свойствами и состоянием массива горных пород (повышению фильтрующей пористости, образованию дополнительной трещиноватости, увеличению газопроницаемости,
уменьшению сорбционной способности угольных пластов и др.) путем активных инженерных воздействий на угольные пласты через переоборудованные геологоразведочные или специальные технические скважины, пробуренные с дневной поверхности.
На базе экспериментальных работ должны определиться реальность экономически оправданной добычи метана с учетом фактора эффективности угледобычи и скорректироваться запасы метана, которые возможно извлечь из угольных пластов при современном уровне технологического развития в горногеологических условиях Воркутинского месторождения. Опытно-эксперименталь-ные рабо-
ты планируется проводить на первоочередных объектах, в частности на предварительной стадии работ на поле шахты Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» с отработкой технологий добычи метана из пластов «Тройного» и «Четвертого».
В результате выполнения указанных работ будет разработана и апробирована методика оценки метанодобываемости шахтных полей. Будут определены экспериментальным путем перспективы экономически оправданной добычи метана из угольных пластов, составлены отчеты (пояснительные записки) по указанным вопросам.
Динамика добычи угля и метана в угольных шахтах стран с высокоразвитой угольной промышленностью - Германии, Великобритании, Франции, Бельгии, Австралии, Китая, Польши, и США - свидетельствует о непрерывном росте объемов каптируемого метана. Добыча высоко-кондиционного химически чистого метана (95 % и более) для использования в химической, биохимической промышленности, объектах энергетики, а также в качестве моторного топлива - актуальная задача сегодняшнего дня.
Газоносные угольные месторождения считаются нетрадиционными источниками углеводородных газов. Угольный метан в пересчете на условное топливо занимает в мире 3-4 место после угля, нефти и природного газа.
Угольный метан во многих странах мира, в том числе в России, рассматривается в качестве компонента топливно-энергетической сырьевой базы. Прогнозные ресурсы метана угольных месторождений России оцениваются по различным источникам в пределах 50-80 трлн м3, что близко к запасам традиционных газовых месторождений страны.
Геологические задачи Методы решения
1. Сбор и обработка горно-геологической и горнотехнической информации по Воркутинско-му месторождению. Исследование распределения метана по месторождению. Исследование геологической основы для разработки эффективной технологии добычи метана из неразгруженных угольных пластов на больших глубинах. 1.1. Сбор и обработка исходных данных, характеризующих геологическое строение месторождения, горнотехнические условия отработки запасов. 1.2. Обобщение материалов по физикотехническим, физико-химическим и фильтрационным свойствам угольных пластов с учетом отработанных и подготовленных к отработке запасов. Разработка методики оценки метанодобываемости из угольных пластов на базе обобщенной информации по интегральной газоотдаче угольных пластов и фактическому газовыделению, в том числе при ведении горных работ на объекте исследований.
2. Разработка и натурные испытания технических решений в конкретных горногеологических условиях по эффективному извлечению метана на первоочередных объектах экспериментальных работ ДО, В ПРОЦЕССЕ и ПОСЛЕ проведения горных работ по добыче угля. 2.1. Разработка основных технологических схем извлечения метана из неразгруженных глубокозалегающих угольных пластов в конкретных горногеологических и горнотехнических условиях. 2.2. Разработка основных технологических схем извлечения метана из разгруженного от горного давления массива в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях. 2.3. Разработка основных технологических схем извлечения метана из выработанных пространств угольных шахт. 2.4. Разработка методики расчета основных параметров обработки угольных пластов в различных режимах. 2.5. Разработка, согласование и утверждение технической документации на проведение работ по извлечению угольного метана на первоочередных объектах шахтных экспериментальных работ. 2.6. Испытания разработанных технологий извлечения метана на объектах испытаний.
3. Освоение и эксплуатация скважин для проведения исследований эффективности проведенных работ в горно-геологических условиях глубокозалегающих угольных пластов Воркутинского месторождения. Определение области применения разработанных технологий. Оценка ме-танодобываемости углегазоносного массива. Прогнозная оценка объемов добычи угольного метана. Разработка концепции и конкретных рекомендаций по добыче метана из угольных пластов на Воркутинском месторождении. Обоснование инвестиций экспериментальных работ по определению перспектив промышленной добычи метана. 3.1. Проведение гидродинамических испытаний угольных пластов до активных воздействий и после испытаний каждой технологической схемы или этапа работ. 3.2. Оценка эффективности проведенных работ по изменению гидропроводности угольных пластов, их газопроницаемости и газоотдачи. 3.3. Определение области применения испытанных технологических схем, оценка метанодобываемости. 3.4. Разработка концепции экспериментальных работ по обоснованию возможности промышленной добыче угольного метана в Печорском угольном бассейне. 3.5. Обработка и обобщение полученных результатов для прогнозной оценки перспектив добычи метана из угольных пластов. Разработка рекомендаций по добыче метана. 3.6. Обоснование инвестиций экспериментальных работ по определению перспектив промышленной добычи метана. 3.7. Составление глав и разделов отчета (записки). Подготовка графических приложений. Оформление отчета.
На современном этапе и в обозримом будущем развития общества важнейшим источ- 41
ником энергии является уголь. В недрах Российской Федерации залегает значительная часть мировых запасов угля, составляющих около 6800 млрд т, обеспечивающих долговременную перспективу его использования. Вместе с тем, добыча угля по ресурсосберегающей технологии, комплексное использование месторождений позволяет в свою очередь попутно получать и использовать один из наиболее возможных нетрадиционных источников энергетических ресурсов - метан угольных месторождений, который является наиболее доступным и дешевым резервом среди других ныне нетрадиционных источников горючих газов.
Современное развитие горнодобывающей промышленности должно вестись по безопасной ресурсосберегающей и экологически чистой технологии. В этом плане на первое место выдвигается необходимость обеспечения безопасности разработки газоносных угольных пластов с извлечением метана из угленосной толщи с обязательным его использованием как энергетического топлива, а также как химического сырья. Это позволит сэкономить значительное количество угля, что дает, в свою очередь и экологический, и экономический эффект: только 1 млн м3 метана может заменить 1300 т угля. В этих условиях проблема более полного использования угольных месторождений приобретает конкретное существенное экономическое значение.
На территории России одними из наиболее газоносных являются пласты Воркутинского месторождения Печорского угольного бассейна, которые уже сейчас должны рассматриваться как метаноугольные.
Прогнозные ресурсы угля Печорского бассейна до глубины 1800 м оцениваются в 225 млрд т Годовая добыча в последн ие годы находится на уровне 20 млн т.
Ресурсы метана в Печорском угольном бассейне оцениваются на уровне 2 млрд м3, в том числе на полях действующих шахт, где планируется провести первоочередные оценочные работы - 26 млрд м3. Плотность ресурсов метана около 500 млн м3/км2. На шахтах бассейна в год выбрасывается в атмосферу до 700 млн м3 метана, из них каптируется около 260 млн м3 и используется только 48 млн м3 в шахтных котельных.
При условии развития современных методов добычи и утилизации угольного метана в бассейне можно получать до 1 млрд м3 газа в год и более.
Метаноносность углей возрастает с глубиной: от 3-13 м3/т на глубине 100 м и достигая 25-30 м3/т на глубине 800 м. Наиболее газоносными являются угли Воркутинского месторождения.
Газообильность шахт Воркуты в период эксплуатации достигает 100-200 м3/мин. Эффективность дегазации отдельных выемочных участков ОАО «Воркутауголь» составляет 70-80 %, эффективность дегазации шахт
- 40 %, т.е. 40-50 % метана может выделяться из выработанных пространств, при дегазации которых скважинами с поверхности можно иметь дебиты на порядок выше, чем из неразгруженных пластов. Таким образом, угольный метан предполагается добывать в две стадии: на первой - из неразгруженных от горного давления угольных пластов, т.е. извлечение метана вне влияния горных работ, на второй - из разгруженного горными работами углегазоносного массива, который будет иметь существенно более перспективные фильтрационные характеристики, определяющие в значительной степени дебиты скважин.
В этой же связи предусматривается извлечения из выработанных пространств закрывающихся шахт.
Научно-технические аспекты проблемы заключаются в установлении закономерностей газодинамических процессов, протекающих в углепородном массиве угольных месторождений до и в процессе воздействия на него и создании технологий и технических средств управления ими при извлечении метана для промышленного использования и последующего повышения безопасности добычи угля.
Разрабатываемая технология извлечения (добычи) угольного метана должна обеспечивать:
• уменьшение эмиссии метана в атмосферу.
• возможности полезного использования извлекаемого метана;
• экономически состоятельную добычу угля и метана;
• безопасные условия труда шахтеров.
Решение поставленных задач должны достигаться современными способами, включающими решения как теоретических, так и практических вопросов.
Начатые Московским горным институтом, впервые в мире, в 1963 г. в Карагандинском угольном бассейне и развитые с 1968 г.
в Донбассе опытно-промышлен-ные работы по направленному гидрорасчленению угольного пласта подтвердили свою перспективность и состоятельность. В настоящее время, разработаны и утверждены в установленном порядке три отраслевые и два бассейновых руководства на осуществление базовой технологии гидрорасчленения угольного пласта и отраслевое руководство на проведение усовершенствованной технологии пневмогидровоздействия на угольный пласт.
Оборудованы опытно-промышленные
участки в г. Караганда и г. Шахтинске, создается специализированное подразделение в г. Воркуте.
При реализации настоящего проекта предполагается использование комплекса, не имеющих аналогов в мире, технологических схем извлечения метана на базе активных термофизикохимических воздействий через скважины с поверхности, находящихся в разной степени разработанности, но являющихся принципиально новыми, защищенными патентами РФ и приоритетными публикациями. Наиболее перспективными схемами являются следующие.
Пневморасчленение пластов (Патент РФ № 1548463, МГГУ, Н.В. Ножкин, С.В. Сластунов, В.М. Карпов) - наиболее перспективная схема при наличии мощных компрессоров, обеспечивающих темп нагнетания q > 60^80 м3/мин и способных создавать давление до 20 МПа.
В реальных условиях отсутствие компрессоров необходимой мощности (темп нагнетания, давление), а также соображения энергетической целесообразности предопределяется применение комбинированных воздействий, а именно - различных схем пневмогидровоздействия на пласт.
Пневмотепловое воздействие (а. с. №
1511435, МГГУ, Н.В. Ножкин, С.В. Сластунов и др.) заключается в нагнетании в подвергнутый ранее гидрорасчленению угольный пласт нагретого воздуха и применяется для углубления дегазации угольного пласта за счет повышения фазовой проницаемости для интенсификации извлечения метана, снижения сорбционной емкости угля вследствие повышения температуры в системе «уголь-метан» и образования дополнительной подсистем трещин, объединения последних в единую систему, ориентированную в нагнетательной скважине вследствие про-
никновения воздуха в непроницаемые для рабочей жидкости каналы.
Пневмооттеснение рабочей жидкости ГРП (Патент РФ № 1610048 МГГУ, Н.В. Ножкин, С.В. Сластунов, О.О. Ворошилов) может применяться и как вспомогательное воздействие, т.е. не непосредственно после ГРП, а на иной стадии комбинированного воздействия, например, после освоения скважины станком-качалкой, после дополнительных интенсифицирующих воздействий и т.д.
Гидрорасчленение с использованием газообразного азота (аэроГРП) (Патент РФ № 1375839, МГГУ, Н.В. Ножкин, С.В. Сластунов) применяют с целью интенсификации извлечения рабочей жидкости гидрорасчленения из пласта. Для этого газообразный азот подают в пласт одновременно с рабочей жидкостью или воздействие осуществляют циклически, чередуя порции газообразного азота и воды.
Знакопеременное гидровоздействие в режиме кавитации с использованием геоэнергии углегазоносного массива (геоГРП) Патент РФ на изобретение № 2159333 от 20.11.2000. «Способ дегазации угольного пласта» (Л.А. Пучков, С.В. Сластунов, Г.Н. Фейт). Сущность технологии заключается в том, что после кавернообразования в призабойной зоне скважины нагнетание воды ведется в специальном режиме, инициирующим реализацию геоэнергии массива и образование взаимосвязанных каверн и высокопроницаемых трещин.
Нагнетание в угленосную толщу углекислого газа (Патент РФ на изобретение № 2121062, А.Е. Воробьев, С.В. Сластунов, А.А. Шилов). Реализация способа направлена на обеспечение возможности более полного извлечения метана из угольного пласта. Это достигается тем, что после завершения процесса самоистечения метана из угольного пласта после пневмогидравлической обработки в последний закачивают вещество с большей, чем у метана сорбционной способностью, в частности углекислый газ.
Гидрорасчленение с использованием сжиженного азота (криоген ГРП) (Патент РФ № 1375839, Н.В. Ножкин, С.В. Сластунов) применяется для повышения равномерности обработки вокруг нагнетательной скважины за счет создания условий для раскрытия в процессе повторного ГРП дополнительных систем трещинообразования. Первоначально раскрытые трещины временно
блокируются ледяными перемычками. Данная технологическая схема позволяет поэтапно раскрывать все естественные системы трещин в угольном пласте. Возможно использование этой схемы для временной консервации сбоек между скважинами, сбоек с геологическими нарушениями или с горными выработками.
Внутрискважинное сжигание пороховых генераторов давления - циклическое воздействие для образования и развития начальной сети трещин газообразными продуктами сгорания порохов.
Возможно, использование вместо или после пороховых генераторов давления горючей окислительной смеси типа ГОС-Х.
Способ гидравлической обработки угольного пласта с использованием эффекта обратного гидроудара (положительное решение на выдачу патента, авторы Л.А. Пучков, С.В. Сластунов, Г.Г. Каркашадзе, К.С. Коли-ков) и ряд других. Всего технология извлечения угольного метана защищена более, чем 80 патентами и авторскими свидетельствами.
Необходимости использования охра-яемых результатов интеллектуальной деятельности, принадлежащей третьим лицам, а также приобретения прав на их использование нет.
Принципиальную новизну проекта составляет комплексное решение проблемы извлечения, подготовки и использования метана, решение экологических проблем и обеспечение безопасных условий работы в шахте на основе применения новых технологических решений и типов оборудования.
Перечисленные активные воздействия должны обеспечить эффективное извлечение метана при дегазации первого рабочего пласта в свите. На втором этапе, после проведения очистных работ по этому пласту, предусматривается интенсивное с существенно большим дебитом извлечение метана из частично разгруженной угленосной толщи через те же самые поверхностные дегазационные скважины. Кроме этого, предусматривается извлечение значительных объемов метана из закрываемых шахт.
Такая комплексная технология должна обеспечить промышленную добычу не только угля, но и метана из углегазоносной толщи, а также улучшить экологическую ситуа-
цию в регионе за счет существенного уменьшения выброса метана в атмосферу.
Основные показатели, параметры и характеристики объекта разработки, техникоэкономические показатели:
• добыча метана с одной тонны запасов угля - 5-15 м3;
• коэффициент извлечения метана -0,75-0,80;
• дебит метана на первой стадии из одной скважины - 5-15 тыс.м3/сут.;
• длительность эксплуатации одной скважины - до 12-15 лет;
• глубина залегания дегазируемых с поверхности угольных пластов - до 1200 м;
• радиус действия скважины при активных воздействиях - 150-250 м;
• концентрация извлекаемого и подготавливаемого к дельнейшему использованию метана - 95-100 %;
• потери метана при добыче и подготовке к использованию - 20 % в недрах, 2 %
- при подготовке;
• сброс сточных вод - вода используется в замкнутом цикле;
• полная утилизация извлекаемого метана в качестве энергетического сырья, газообразного и моторного топлива;
• обеспечение рентабельности угольных предприятий и конкурентоспособность их продукции - с учетом технологий использования попутных ресурсов;
• обеспечение безопасных условий работы в процессе угледобычи подземным способом.
МГГУ имеет большой практический опыт и все необходимые лицензии на ведение проектных работ, выполняемых проектноэкспертным центром (ПЭЦ МГГУ).
Работы МГГУ в рассматриваемом направлении имеют мировое признание. Только в последние два года работа по извлечению угольного метана через скважины с поверхности отмечены на престижных европейских форумах. В 2001 г. работа отмечена Золотой медалью и дипломом с отличием на Салоне инноваций в Брюсселе, в 2002 г. -Золотой медалью на Салоне изобретений в Париже и Серебреной медалью на Салоне изобретений, новой техники и товаров в Женеве.
Опыт Карагандинского и Донецкого бассейнов подтвердил перспективность решения вопросов борьбы с метаном с использованием
скважин с поверхности. В настоящее время эти работы наиболее широко применяются в Карагандинском угольном бассейне.
На полигоне УСШМД - МГГУ в г. Шах-тинске за последние 5 лет прошли широкое испытание новые технологии извлечения метана на полях шахт им. Ленина и «Казахстанская»:
• с использованием кавернообразова-ния в призабойной зоне скважин и циклическими пневмогидроимпульсными воздействиями;
• воздействие в режиме кавитации с использованием геоэнергии газонасыщенного угленосного массива;
• воздействие с использованием вспенивающихся жидкостей и углекислого газа и ряд других.
В настоящее время на поле шахты «Комсомольская» пробурено 3 скважины на глубину 1100 м. Вскрыты особо опасные пласты «Четвертый» и «Тройной». Проведены первые этапы работ по гидроимпульсной обработке при-скважинной зоны с использованием пороховых генераторов давления и гидродинамическому воздействию в режиме
фильтрации, выполнена оценка эффективности работ путем гидродинамических испытаний по утвержденным методикам. Получено подтверждение эффективности воздействия по
раскрытию начальной сети трещин. Проведен основной этап работ по гидродинамическому воздействию на свиту пластов. В настоящее время готовится этап работ по освоению и эксплуатации обработанных скважин.
Реализация в полном объеме технических решений, утвержденных руководством ОАО «Воркутауголь», позволит увеличить в зоне обработки трех скважин нагрузку на очистной забой лав 412-Ю и 512-Ю в 1,8 - 2,2 раза, что с учетом прямого дохода от продажи метана за вычетом капитальных затрат составит 2,45 млн долл. США (расчет техникоэкономического эффекта составлен на основании фактических данных первого этапа работ).
Научно-методическое руководство работ осуществляется Московским государственным горным университетом, реализация работ - экспедицией «Печоруглеразведка».
Программой предварительного этапа работ на стадии предпроектной подготовки масштабных экспериментальных работ на первоочередных объектах по добыче угольного метана предусматривается бурение, обработка, освоение и эксплуатация 6-10 скважин на двух шахтных полях Воркутин-ского месторождения.
— Коротко об авторах
Пучков Лев Александрович - чл.-корр. РАН, ректор Московского государственного горного университета. Сластунов Сергей Викторович - профессор, доктор технических наук, проректор по научной работе Московского государственного горного университета.
Агарков А.В. - Экспедиция «Печоруглеразведка» ОАО «Воркутауголь».
----------------------------------------------------- © С.В. Сластунов, К. С. Коликов,
М. В. Шмидт, 2004
УДК 622.765.061
