CC BY
72
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97"
МОСКВА, МГТУ, 3.02.97 - 7.02.97 СЕМИНАР 1 “ ПРОБЛЕМЫ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ (ДОБЫЧИ) МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ
С.В.Сластунов
проф., д.т.н.
Московский государственный горный университет
ПРОБЛЕМЫ ДОБЫЧИ УГОЛЬНОГО МЕТАНА И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ
В настоящее время проблема добычи метана из угольных месторождений приобрела особую актуальность в ряде стран мира. Большое внимание ей уделяется, в частности, в США и Китае. Это объясняется как энергетическими причинами, так и тем, что угольный метан -ценный продукт для химической, биохимической промышленности и имеет достаточно широкое квалифицированное применение. Масштабность добычи угольного метана в США в последние десятилетие впечатляет, однако там этот вопрос имеет свою специфику [I]. В существенной степени успехи предопределены геологическим феноменом месторождения Сан-Хуан, хотя необходимо в качестве существенного фактора отметить также высокий технический и экономический уровень этих работ в США. Достаточно по последнему поводу сказать, что затраты на проведение работ по добычи метана через скважины с поверхности в сопоставимых горно-геологических и горнотехнических условиях (глубины залегания пластов, угленосность и газоносность толщи и ряд других) на порядок и более превышают затраты на проведение аналогичных работ в Карагандинском и Донецком угольных бассейнах, проводимых силами бассейновых специализированных организаций (управление “Спецшахтомон-
таждегазация”, МакГРЭ).
В настоящее время актуальны три основных вопроса:
I. Где добывать угольный метан.
2. Как найти перспективные для добычи метана участки угольных месторождений.
3. Как технологически эффективно извлекать метан.
Ответ на первый вопрос зависит от нашего подхода к проблеме добычи метана. Первый путь - как в США, где добычей метана занимаются газовые компании. Обобщая их опыт, отметим, что для того, чтобы обеспечить ежегодную добычу метана из угольных пластов на уровне 25 млрд. кубических метров потребовалось пробурить более 17 тысяч геологоразведочных скважин, что стоило около 17 млрд. долларов США. Такой масштабный подход позволил обнаружить микрогазовое месторождение в
Сан-Хуане, где и добывается львиная доля всего угольного метана.
В США на угольных месторождениях функционируют более 3 тысяч скважин, причем более 80% вне благоприятных условий указанного микрога-зового угольного месторождения. Средний уровень дебитов этих скважин не превосходит аналогичные в Карагандинском и Донецком угольных бассейнах и составляет по разным группам обобщения от 0,7 до 1,5 куб.м/мин. Более того, критический уровень экономически состоятельной добычи метана по проницаемости угольных пластов составляет 1 Мд, что по американскому опыту означает закрытие скважин в случае их попадания в зону пласта с естественной проницаемостью ниже 1 Мд вне зависимости
от других факторов (глубина залегания, газоносность и т.д.). Таким образом , американский путь заключается в масштабном поиске так называемых “сладких точек”, где и ведется основная добыча метана. По нашей точке зрения этот путь в настоящее время для нас не приемлем, так как:
1.У нас нет возможности обеспечить такой уровень финансирования геологоразведочных работ.
2. В России может не оказаться такого месторождения или его участка, аналогичного условиям Сан-Хуана.
Следовательно, на повестку дня встает второй вопрос. Как без сверх-крупных финансовых вложений найти перспективные участки угольных месторождений для добычи метана. Причем необходимо рассмотреть не глобальные подходы, базирующиеся на оценках запасов и ресурсов метана в том или ином бассейне, а вполне конкретные, которые можно было бы использовать для разработки рабочих методик обнаружения таких перспективных зон.
Нами были исследованы принципиальные подходы к решению этой проблемы, предложенные рядом институтов и организаций, в частности:
1. ВНИМИ (к.т.н. Гончаров Е.В.), базирующийся на выявлении разгруженных блоков и зон угольных пластов.
2. МГГУ - ВНИМИ (к.т.н. Батугин А.С., проф. Батугина И.М., проф. Петухов И.М.), базирующийся на принципах геодинамического районирования.
3. Институт прикладной математики (проф. Холманов Х..Ж.), базирующийся на исследовании геологических разрезов и строении угленосной толщи.
4. КазНИИБГП (к.т.н. Исполова Р.С.) - на изучении нарушений и исследовании блочного строения угольного пласта, в частности на динамике изменения мощности пластов.
5. Геофизическая организация “Азимут” - на обнаружении мелкоамплитудных нарушений и их изучении.
6. Карагандауглеразведка (инж. Зинченко В.В.), базирующийся на комплексных исследованиях при ведении геологоразведочных работ.
7. Центрказнедра (инж. Умархад-жиева Н.С.) и целый ряд других.
Ключевой вопрос исследования этих подходов - оценка их практической работоспособности. Для этой цели нами предполагается следующее. В Карагандинском угольном бассейне на ряде шахтных полей были проведены работы по заблаговременной дегазации шахтных полей через скважины с поверхности. При этом оценивалось извлечение метана в течение 3-10 лет. Имеется ряд объектов, где применялась традиционная технология с приблизительно одинаковыми параметрами обработки угольных пластов (объемы и темпы закачки рабочей жидкости, время выдержки ее в пласте, показатели освоения и эксплуатации скважин и т.п.). Однако есть существенные различия в результативности работ в части динамики газовыделения из скважин и объемов извлечения метана в сопоставимые временные периоды. Причем существенные различия имели место между шахтными полями в целом (шахта им. Ленина, скв. №№ 1-14 и шахта “Сокур-ская”, скв.№№ 12-27), и отдельными скважинами на одном участке шахтного поля ( скв. №№ 6,7,11 с одной стороны и скв.№№ 5,10,13 с другой стороны на п.ш.им. Ленина или подобная же ситуация на п.ш. “Сокурская”, где дебиты и суммарные съемы отличались в 5-10 раз). Это создает возможность проверить работоспособность различных методик оценки метанодобываемости уже сейчас, наложив теоретический прогноз дебитов на уже имеющиеся практические результаты.
К сожалению, положительных результатов по оценке работоспособности предложенных методик до сих пор получено не было. Пример апробации такого подхода приведен на рис. 1, где исследовались методические разработки ИПМ
характера вмещающих пород (песчаник, глинистые сланцы), а так же динамики изменения их элементов залегания. Нетрудно видеть, что в районе скважин № 6 и №5 имеют место практически одинаковые условия залегания, однако из скв. № 6 за 1984-91г.г. было извлечено 3 млн. куб. м метана, а из скв.№ 5 - всего 200 тыс. куб. м, что исследуемой методикой не может быть удовлетворительно объяснено. С нашей точки зрения необходимо завершить в 1997 г. работу по оценке практической работоспособности всех предложенных методов оценки перспективности участков угольных пластов в части метанодобываемости и рекомендовать аналогичную проверку достоверно-
сти разрабатываемых в настоящее время новых методов, что позволит обосновано отобрать и в дальнейшем широко использовать перспективные методы выбора объектов для добычи угольного метана. Таким образом, ответ на вопрос “Где нужно добывать угольный метан” в настоящее время следующий . При наличии достоверной и работоспособной методики определения перспективных участков -там, где это экономически выгодно, вне зависимости от того, будет ли это участок шахтного поля, либо любой другой участок угольного месторождения. Соответственно вести эти работы могут в последнем случае и газовые компании, как это делается в США. Но пока такой ме-
тодики нет, с нашей точки зрения, работы по добыче метана следует развивать на действующих шахтных полях, где всегда есть реальная возможность обеспечить экономическую состоятельность извлечения метана.
Преимущества такого подхода заключаются в следующем. Работы на первой стадии в РФ носят экспериментальных характер. В условиях ограниченных финансовых возможностей организация опытно-экспериментального участка в пределах шахтного поля во много раз дешевле по факторам обустройства поверхностного комплекса, включающего в себя подвод электроэнергии, строительство подъездных путей, водо-газопровода и др. Ведь даже в непосредственной близости от шахты на освоенном участке бурение и обработка одной скважины с поверхности глубиной 1000 м стоит в настоящее время около 1 млрд. руб. Вопрос окупаемости этих работ является первоочередным. На действующем шахтном поле этот вопрос решаем, т.к. работы преследуют комплексную цель, слагающуюся из следующих факторов:
1. Добыча метана и его полезное использование.
2. Дополнительная добыча угля в зонах интенсивной дегазации.
3.Дополнительная добыча метана в связи с возможностью использования эффекта разгрузки вследствие подработки при ведении горных работ.
4. Увеличение скорости проведения подготовительных выработок в благоприятной газовой обстановке, в ряде случаев проведения одиночных выработок вместо парных.
5. Безопасность горных работ, достигаемая за счет снижения газообиль-ности горных выработок и выбрасоопас-ности угольного пласта.
6. Экологический фактор связанный со существенным снижением уровня выбросов метана в атмосферу.
Проиллюстрируем это на конкретном примере. На поле шахты им. Ленина
в Карагандинском бассейне были проведены работы по заблаговременной дегазационной подготовки запасов угля и последующей добыче метана после гидропневматической обработки пласта Д6.
В течение 1984-91г.г. из 14-ти обработанных и освоенных скважин (рис.2) каптировано свыше 18 млн.куб.м со снижением газоносности пласта Д6 в зонах ГРП от 6 до 9 куб. м /т. обработанных запасов.
Экономическая эффективность этих работ определяется следующими факторами:
1. Сокращением проведения на 1500 м парных бремсбергов по восточному крылу пласта Д6, только на 50% обработанных ГРП запасах (рис.З), стоимостью 18 млрд.руб.
2. Ростом добычи угля в зонах ГРП. По существующей методике, извлечение средствами дегазации 1 млн. куб. м метана обеспечивает дополнительную добычу 22,5 тыс.т. угля. Следовательно, заблаговременный каптаж 18 млн. куб. м газа обеспечивает дополнительную работу 405 т угля, что даже при 25% вкладе дегазации приносит 16 млрд. руб.
3. Из скважин ГРП начата утилизация метана на обогревателе нового клетевого ствола, что в отопительные сезоны 1996-98 г.г. обеспечит сжигание 800 тыс.куб. м газа, эквивалентного 1,5 тыс. т. угля стоимостью более 2 млрд. рублей.
Общий экономический эффект составляет только по этим 3-м факторам -36 млрд. руб. При затратах на 14 скважинах ГРП в ценах 1997г. 6 млрд. руб. экономическая эффективность применения проведенных работ по заблаговременному извлечению метана на шахте им. Ленина составляет 30 млрд. рублей.
Кроме указанных положительных факторов необходимо отметить повышение безопасности ведения горных работ в зонах ГРП. Кроме снижения газообиль-ности горных выработок отмечено существенное улучшение выбрасоопасной си-
туации. При ведении горных работ на этом участке шахтного поля на пласте Д6 было зарегистрировано 106 газодинамических явлений различной интенсивности, причем 90% из них вне зоны влияния скважин ГРП (рис.З).
іфЛІ
О
Рис. 2. Шахта имени В.И.Ленина. Перспективное развитие горных работ и утилизации метана на 1997 - 2010 г.
Экологический аспект проводимых работ также однозначно положителен. На организованном на шахте им. Ленина образцовом объекте на утилизацию метана полезно используется в настоящее время 20 куб. м /мин. метана, а в ближайшей перспективе 60 куб. м /мин., из которых 40 куб. м /мин. - метан, извлекаемый из скважин ГРП. Отметим, что утилизация 510 куб. м метана даег экономию одной тонны энергетического угля и сокращает на 55 кг экологически вредных выбросов в атмосферу.
Рис. 3. Выкопировка из плана г. работ на п.ш. Ленина в зоне скв. ГРП и ПГВ №№ 1-14
Таким образом, наш принципиальный вывод по второму из поставленных вопросов следующий. Хотелось бы уметь находить “сладкие точки” и вести работы, как в Сан-Хуане, обеспечивая дебиты метана, исчисляемого десятками куб. м в минуту. Однако пока мы находить такие “точки” не умеем и не имеем уверенности, что у нас есть свой Сан-Хуан, хотя бы локального масштаба, имеет смысл развивать эти работы в рамках угольной промышленности с привязкой к шахтным полям, решая весь комплекс изложенных выше задач и накапливать опыт по поиску перспективных участков.
Теперь по поводу третьего существенного вопроса. Как эффективно добывать метан? Это особенно важно, т.к. работая на действующих шахтных полях, мы не можем поступать так, как это де-
ливать опыт по поиску перспективных участков.
Теперь по поводу третьего существенного вопроса. Как эффективно добывать метан? Это особенно важно, т.к. работая на действующих шахтных полях, мы не можем поступать так, как это делают американские компании. Как бы не была мала природная проницаемость угольного пласта, основная задача - эффективно обработать пласт и обеспечить требуемое спижение газообильности горных выработок, выбрасоопасности угольного пласта и достичь необходимый уровень производительности по добыче угля и безопасности горных работ. При этом требуется обеспечить максимально возможное извлечение метана на поверхность для его полезного использования.
Опыт более, чем тридцатилетних работ по заблаговременному извлечению метана на поверхность в основных угольных бассейнах б. СССР на стадии заблаговременной дегазации показал, что в большинстве случаев дегазации подвергались угольные пласты с природной га-зопроноцаемостью от 0,1 до 0,001 Мд. Это значит, что центральный технологический вопрос для наших условий заключается в разработке эффективной технологии извлечения метана из низкопроницаемого угольного коллектора, т.к. первоочередная добыча метана в большинстве случаев будет вестись из неразгруженных угольных пластов. И первоочередная окупаемость существенных капитальных вложений должна осуществляться на этой стадии работ, т.к. второй этап - извлечение метана из разгруженного массива в большинстве случаев будет отставать от первого этапа не менее, чем на 3 года, т.е. на период минимальной заблаговременности дегазационных работ перед основными горными по добыче угля.
В направлении разработки эффективной технологии извлечения метана из низкопроницаемого коллектора МГГУ имеет существенный опыт, не имеющий
аналогов по изложенным в первой части доклада причинам. Эти работы особенно активно велись нами в последние 10 - 15 лет, т.к. с углублением горных работ более, чем на 500 м эффективность традиционной технологии гидрорасчленения резко снизилось. Нами был проведен цикл работ по разработке и апробации принципиально новых технологических схем, таких как пневморасчленение, п невмотепловое воздействие, циклическое гидрорасчленение с использование сжиженых газов, гидроимпульсного воздействия с использованием пороховых генераторов давления и целый ряд других подробно изложенных в [2]. Ряд схем, в первую очередь, пневмогидравлического воздействия, подтвердили свою высокую технико-экономическую эффективность по интенсификации газовыделения из скважин и позволяют с оптимизмом смотреть в перспективы экономически обоснованного извлечения метана даже из неразгруженных низкопроницаемых угольных пластов.
Работы по совершенствованию технологии продолжается и в настоящее время. В сентябре 1996 г. на поле шахты им.Ленина была испытана новая технология добычи метана на скважине № 1 Д (15). Проект был разработан МГГУ совместно с Управлением “Спецшахтомон-таждегазация” и ИПКОН НАН Казахстана и реализован силами УСШМД во многом благодаря энергии его руководителя И.А.Швеца при поддержке руководства угольного департамента “Испат-Кармета”. Новая технология предусматривала совершенное вскрытие пласта, кавернообразование в призабойной зоне и обеспечение режима кавитации путем применения знакопеременного пневмогидровоздействия по патенту МГГУ с использованием ряда новых технологических операций. В настоящее время эксперимент находится в стадии завершения, однако уже сейчас первые результаты подтверждают перспективность испытанной технологии.За три ме-
сяца после начала освоения скважины зафиксировано более 40 выбросов угля и газа в нее, что однозначно подтверждает реализацию режима кавитации и образования в обработанной зоне пласта системы взаимосвязанных ка-
верн.Завершение освоения скважины и ее расштыбовка по завершении зимнего периода позволит объективно и достоверно оценить перспективность новых технологических решений.
В 1997 г. на поле шахты им.Ленина планируется проведение работ по добыче метана еще на четырех скважинах. С нашей точки зрения этот опытноэкспериментальный участок будет являться лучшей моделью полигона для испытаний новых эффективных технологий добычи метана из угольных месторождений, в первую очередь благодаря наличию квалифицированных кадров и необходимой техники и оборудования в Управлении СШМД.
Технологии, подтвердившие на полигоне свою эффективность, предполагается апробировать в 1997-98 г.г. на
первоочередных объектах по добыче метана в РФ. В настоящее время подготовительные работы ведутся на двух объектах:
1. Шахта “Комсомольская” АО “Воркутауголь”.
2. Шахта “Первомайская” АООТ “Северокузбассуголь”.
Разработанные и утвержденные в установленном порядке бизнес-планы и техническая документация, поддержка руководства отрасли, в лице ОАО “Росуголь”, позволяют перейти к практической реализации добычи метана из угольных месторождений на шахтах Кузбасса и Воркуты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пучков Л.А. Реальность промысловой добычи метана из неразгруженных угольных пластов. М. Изд-во МГГУ, 1996.
2. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. М. Издательство МГГУ, 1996.
© С.В.Сластунов
