CC BY
30
УДК 622.817 В.А. Бобин
ПРОЕКТ ДОБЫЧИ МЕТАНА ИЗ НЕРАЗГРУЖЕННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ С ПОМОЩЬЮ ОТДЕЛЬНОЙ ДОБЫЧНОЙ ЗОНЫ, РАСПОЛОЖЕННОЙ МЕЖДУ ТРЕЩИНАМИ ГИДРОРАЗРЫВА
Представлены результаты исследований по установлению закономерностей формирования фильтрационных характеристик неразгруженного угольного пласта при добыче метана с использованием отдельной добычной зоны, расположенной между трещинами гидроразрыва. Разработана методика определения минимального количества циклов разгрузки-сжатия при вибрационном гидровоздействии на добычную зону неразгруженного угольного пласта, достаточного для интенсивного развития макропор-трещин в угольных пластах любой прочности и интенсификации процесса метановыделения из угольного пласта. Разработана методика расчета проницаемости неразгруженных угольных пластов в отдельной добычной зоне, расположенной между трещинами гидроразрыва при вибрационном гидровоздействии на нее. При этом выявлены наиболее важные идеи, которые целесообразно использовать для разработки схем вскрытия угольных пластов с помощью вертикальногоризонтальных скважин, к которым относятся идеи увеличения проницаемости пласта за счет гидровруба, ориентированного в вертикальной плоскости, и вибрационного воздействия, использующего геоэффект.
Ключевые слова: добыча метана, угольные пласты, горизонтальные скважины, трещины, почва и кровля пласта.
~П России положительный опыт промышленного извлечения
-Я-М метана из угольных пластов содержится в работах К.Н. Трубецкого, В.В. Гурьянова, В.М. Шика и других исследовате-лей[1-4].
Анализ патентной литературы в области увеличения проницаемости коллекторов углеводородов для интенсификации газовыде-ления из добычных скважин показал, что наиболее важными идеями, которые целесообразно использовать для разработки схем вскрытия угольных пластов с помощью вертикальногоризонтальных скважин являются идеи увеличения проницаемости пласта за счет гидровруба [5], ориентированного в вертикальной плоскости, и вибрационного воздействия, использующего геоэффект [6].
Все это позволило предложить новый способ интенсификации извлечения метана из неразгруженных угольных пластов, который
получил название «Способ вскрытия углеводородсодержащих пластов» [7].
Идея этого способа интенсификации извлечения метана с помощью горизонтальных скважин с образованием в пласте отдельной добычной зоны возникла при исследовании возможностей способов вскрытия углеводородосодержащего пласта, один из которых, а именно: отособ вскрытия углеводородсодержащего пласта, включающий вскрытие скважиной частей пласта, формирование зоны перетока между этими частями пласта для повышения гидродинамической связи между ними и дальнейшую изоляцию гидродинамической перемычки [8] является аналогом.
К сожалению он позволяет изолировать гидродинамическую перемычку только в непосредственной близости от инициирующей скважины из-за чего происходит подмешивание примесей, что снижает качество добываемого углеводородного сырья.
В свою очередь способ вскрытия углеводородсодержащего пласта с помощью ориентированного гидроразрыва [9] реализуется за счет бурении инициирующих скважин, создания в скважинах инициирующих полостей, герметизации этих полостей и формировании трещины гидроразрыва пород нагнетанием в них жидкости.
Однако, и он не обеспечивает приемлемых для работы потребителей расходов добываемого метана из-за отсутствия устойчивой фильтрационной связи между стволом инициирующей скважины и отдаленными от нее областями угольного пласта.
Целевое назначение нового способа состоит в образовании в угольном пласте добычной зоны угольного метана, сформированной трещинами гидроразрыва в породах кровли и почвы, с возможностью оказания на эту зону периодического вибровоздействия, интенсифицирующего газовыделение в горизонтальной части добычной скважины.
Указанная цель достигается тем, что зону добычи угольного метана создают инициирующими скважинами и полостями в них с формированием трещин гидроразрыва нагнетанием в полости жидкости под давлением в породах почвы и кровли угольного пласта на расстоянии (0,5 - 1) м соответственно выше кровли и ниже почвы пласта. Численное значение этого расстояния определяется строением вмещающих пород, и должно обеспечить невозможность формирования трещин
Рис. 1
гидроразрыва в плоскости перпендикулярном пласту, но только вдоль линии кровли и почвы пласта.
Независимо друг от друга герметизируют две гидродинамические системы, каждая из которых включает инициирующую скважину, полость и соответствующую трещину гидроразрыва. Обе системы присоединяют к пульсирующим гидродинамическим источникам, а затем проводят вибровоздействие путем нагнетания в соответствующую гидродинамическую систему рабочей жидкости в пульсирующем режиме, причем вибровоздействие в гидродинамических системах должно осуществляться так, чтобы амплитуда, частота и фаза вибровоздействия в гидродинамических системах совпадали по величине.
На рис. 1 представлена схема вскрытия добычной зоны газонасыщенного угольного пласта [10].
Способ, реализующий предлагаемую схему интенсификации процесса газовыделения метана из угольного пласта, осуществляют следующим образом.
Бурят инициирующую скважину 1 так, чтобы забой скважины находился на расстоянии порядка (0,5-1)м выше кровли пласта, создают в скважине инициирующую (зародышевую) полость 2 (рис. 1). Затем бурение инициирующей скважины продолжают буром меньшего диаметра, а заканчивают, когда забой скважины 3 будет
на (0,5-1) м ниже почвы пласта, далее создают инициирующую полость 4. Далее полости 2 и 3 герметизируют независимо друг от друга, каждая из которых образует свою гидродинамическую систему нагнетания соответственно 4 и 5. После герметизации полостей 2 и 3 одновременно в породах почвы и кровли формируют трещины гидроразрыва 7 и 8 с помощью нагнетания в них жидкости под давлением. Именно между трещинами гидроразрыва формируется так называемая добычная зона.
Далее гидродинамические системы 4 и 5, включающие инициирующую скважину, полость и трещину гидроразрыва, присоединяют к пульсирующим гидродинамическим источникам 9 и 10.
При этом трещины гидроразрыва формируют в породах почвы и кровли угольного пласта на расстоянии (0,5-1) м. Такое значение породных прослоек, между которыми находится угольное вещество пласта, обусловлено, во-первых, необходимостью образовать прочную верхнюю и нижнюю границы добычной зоны угольного пласта, которые бы не разрушались в результате последующего виброволнового воздействия на эту зону, а, во-вторых, энергетическими возможностями пульсирующих источников, вибрирующих в целом массивную добычную зону пласта.
Затем проводят вибровоздействие путем нагнетания в соответствующую гидродинамическую систему 5 и 6 рабочей жидкости в пульсирующем режиме, причем вибровоздействие в гидродинамических системах должно осуществляться так, чтобы амплитуда, частота и фаза вибровоздействия в гидродинамических системах совпадали по величине. Необходимость выполнения этих условий обусловлена созданием в угольном пласте сжимающих и растягивающих напряжений, при которых образуются микро- и макротрещины с образованием разветвленного фильтрационного пространства, проницаемость которого по мере осуществления внешнего воздействия только увеличивается, чем и обеспечивается необходимый приток метана к горизонтальному участку добычной скважины. Причем вертикальная часть 11 системы горизонтальных добычных скважин бурится вне контура добычной зоны пласта 12 , а горизонтальная часть 13 ее пересекает добычную зону по всей длине.
В результате метан, выделяющийся из угольного пласта через системы микро- и макротрещин, образованные в результате
Рис. 2. Угленосные отложения Ускатскогорайона Кузбасса
вибровоздействия на добычную зону пласта 12, поступает в фильтрационное поровое хорошо проницаемое пространство, потом в горизонтальный участок 13 добычной скважины и далее на поверхность.
Такую схему вскрытия угольного месторождения можно эффективно использовать, например, добыче метана из угленосных отложений Ускатского района, который граничит на юго-западе с Прокопьевско-Киселевским, на севере-востоке с Беловским, на северо-западе с Ерунаковским и на юго-востоке с Аралическим районами (рис. 2).
Продуктивные отложения района связаны с кольчугинской серией, в основном с ильинской подсерией мощностью около 1800 м.
На Карагайлинском месторождении, стратиграфический разрез которого представлен на рис. 3, встречено до десяти пластов рабочей мощности. Марки углей - Г, ГЖ и Ж.
Рис. 3. Стратиграфический разрез Карагайлинского месторождения
Теоретические исследования и практические расчеты позволяют сформулировать последовательность технологических и расчетных операций, которые являются основой методики расчета проницаемости неразгруженных угольных пластов в отдельной добычной зоне, расположенной между трещинами гидроразрыва.
Она включает:
1. Определение направленности макротрещин и их геометрические размеры по шлифам образцов угля, в именно: Ь = h - рас-
крытие трещин, мкм, L - протяженность трещин, мм, S - площадь шлифа, мм2, радиус макропор, м.
2. Расчет геометрических размеров макропор, а именно: объема макропор по формуле:
Умпор= 2хя хЬ2 (Я - Ь/3) (1)
где Я - радиус шара, частью которого является шаровой сегмент, обозначающий макропору; Ь - высота шарового сегмента; значение радиуса Я вычисляется по формуле Я = (Япор2 + Ь2)/2хЬ (2)
При этом значение Ь = Ь - раскрытие трещин оценивается из расчета, что эта величина, по крайней мере будет на порядок величины меньше линейного размера пласта, т.е. Ь « (1 - 1,5) мкм = (1 -1,5)х10-6 м.
3. Оценку геометрических и газокинетических параметров "жизненного пространства", которое окружает каждую макропору, а именно: объем макропор в расчете на 1 м3 угольного пласта (Ум. поре); число макропор по осям х, у , которое вычисляется по формулам Ку = а2/(2 Япор)2, где а = (УмпорЕ)1/3 , а по оси z - N = а/Ь; суммарное количество макропор оценивается по формуле N е = (Кху)2 !х N2 ; значение расстояния между макропорами по осям X иY будет одинаковым и равным = (1 - Ку х 2хЯпор)/ N а по оси Ъ -Lz = (1 - N2 х 2Ь)/ N1; оцениваем объем "жизненного пространства"
У жпр .
Количество метана находящегося в соответствующем "жизненном пространстве"^сорб) , а также массу этого метана (т) рассчитываем по формулам Qсорб ^орб пластах Ужпр, т Рх Qсорб.
4. Оценку сверху значения давлений в макропорах различного размера по уравнению Клайперона-Менделеева:
Р= тхЯгхТ/(цх Умпор) (3)
где Яг= 8,31 Дж/моль К - газовая постоянная, Т = 300 К - температура, ц = 16х10-3 кг/моль - молекулярный вес метана.
5. Расчет значения количества десорбирующегося в макропору метана по формуле
G=Qсорбx[1-exp (-1/к)] (4)
где G - количество десорбирующегося в макропору метана, к = 100200 с - константа кинетики десорбции для быстро выделяющегося метана, 1 - текущее время. Так как процесс гидровоздействие длится в зависимости от заданных условий от 0,1 до 0,01 секунд. Это
количество выделившегося в макропору газа создаст в поре давление, определяемое по тому же уравнению Клайперона-Менделеева.
6. Определение соотношения между концентрацией метана в "жизненном пространстве" С жпр = ^сорб - G)/ Ужпр и его концентрацией в макропоре С мпор = G/ Умпор .
7. Определение геометрических параметров макропор в момент сжатия угольного пласта за счет гидровоздействия, причем уменьшение этого линейного размера макропоры будет происходить до тех пор, пока давление метана в макропоре за счет ее сжатия не достигнет усилия сжатия угольного пласта, которое имеет вид:
Рк СТСж (5)
Тогда значение уменьшенного объема макропоры определится из соотношения:
Рх У мпор Рк (СТсж)х Умпор (6)
Однако Умпорк =2хл xh2к (R - hк /3 ), а R = ^пор2 + h2к)/2xh Тогда, подставляя эти величины в уравнение (6), получим относительно величины ^ кубического уравнение типа: лх^+^пор2хЬРхУмпор/Рк=0 (7)
Закон газовыделения в макропору на этом этапе развития процесса описывается тем же уравнением (4), а количество метана, проникшего в макропору составит G2 =QСoрбx[1-exp (42 /к)]. Закачка метана в макропору приводит к росту давления газа в макропоре и увеличению концентрации метана в ней.
Значение этих величин определяет их значение за один цикл гидродинамического воздействия, включающего разгрузку-сжатие угольного пласта.
8. Определение минимального числа циклов (ЭД разгрузки-сжатия, как отношение предельной величины концентрации метана в "жизненном пространстве" (С жпр) к величине увеличения концентрации метана в макропоре за один цикл разгрузки-сжатия (АС)
N = С жпр /АС (8)
Далее уточняем значение циклов разгрузки-сжатия, учитывая, что ступень изменения концентрации метана в макропористом пространстве угольного пласта не является постоянной величиной, т.к. не является постоянной величиной градиент концентрации метана в "жизненном пространстве" и в макропоре.
Окончательно число циклов определяется по формуле
Nцреал=Nц х( 1 + ехр ( 1/ т) (9)
х - константа процесса, определяемая экспериментальным способом (по данным работы [40] т = 30 - 60 минут).
Этого количества циклов достаточно для интенсивное развитие макропор-трещин в угольных пластах любой прочности и интенсификации процесса из угольного пласта.
9. Оценку проницаемости добычной зоны угольного пласта, значение которой можно вычислить по формуле Кт = АхЬ3хЬ/ S (10)
где КТ - трещинная проницаемость, мД, А - коэффициент определяемый ориентацией трещин (А= 0,0171 для хаотических трещин, А = 0,0228 - для трех систем взаимно перпендикулярных трещин, А= 0,0342 - для горизонтальных трещин), Ь - раскрытие трещин , мкм, L - протяженность трещин, мм, S - площадь шлифа, мм2.
В результате гидровоздействия трещинная проницаемость угольных пластов независимо от их прочностных свойств может быть увеличена в 3-10 раз.
Таким образом, для реализации проекта добычи метана из неразгруженных угольных пластов с помощью в отдельной добычной зоне, расположенной между трещинами гидроразрыва при вибрационном гидровоздействии на нее проведена оценка увеличения проницаемости неразгруженных угольных пластов в отдельной добычной зоне, разработана методика определения минимального количества циклов разгрузки-сжатия при вибрационном гидровоздействии на добычную зону неразгруженного угольного пласта, достаточного для интенсивного развития макропор-трещин в угольных пластах любой прочности и интенсификации процесса метановыделения из угольного пласта.
Представлены обзорные карты угольных месторождений Ускатского района Кузбасса, где перспективно внедрение технологии извлечения метана из нерагруженных угольных пластов с помощью отдельной добычной зоны, расположенной между трещинами гидроразрыва.
Эти результаты позволяют не только научно обоснованно реализовать проект добычи метана из нерагруженных угольных пластов с помощью отдельной добычной зоны, расположенной между трещинами гидроразрыва, но эффективно его использовать при добыче метана.
1. Трубецкой К.Н. и др. О развитии исследований и разработок по вопросам добычи метана угольных пластов, Горный информационо-аналитический бюллетень, 1996, вып.4, С. 13-18.
2. Гурьянов ВВ., Труфанов В.Н., Матвиенко Н.Г., Бобин В.А. Формы нахождения метана в углях и геотехнологические методы дегазации угольных пластов. Ростов-на Дону, Изд-во СКНЦ ВШ, 2000, 62 с.
3. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. М., Изд-во МГГУ, 1996, 273 с.
4. Современные проблемы шахтного метана (Сборник научных трудов к 70-летию проф. Н.В.Ножкина).М., Изд-во МГГУ, 1999, 320 с.
5. Марморштейн Л.М. и др. Способ обработки продуктивных пластов углеводородной залежи и устройство для его осуществления. Патент РФ № 1031263. Бюл.изобр. № 47-48, 1993.
6. Курленя М.В., Чернов О.И. и др. Способ ориентированного разрыва горных пород. Патент РФ № 1535992. Бюл.изобр. № 2, 1990.
7. Патент РФ № 2211322 «Способ вскрытия углеводородсодержащих пластов». Трубецкой К.Н., Бобин В.А., Гурьянов В.В. Бюл. № 24, 2003.
8. Патент РФ №1627673, кл.Е 21 В 43/00. Бюл. № 6, 1991.
9. Патент РФ №1535992, кл.Е 21 В 41/18, 43/00. Бюл. № 2, 1990.
10. Патент РФ № 2211322 «Способ вскрытия углеводородсодержащих пластов». Трубецкой К.Н., Бобин В.А., Гурьянов В.В. Бюл. № 24, 2003. ШГЛ
— Коротко об авторе ---------------------------------------------------
Бобин В.А. - доктор технических наук, Учреждение Российской академии наук Институт проблем комплексного освоения недр РАН,
ЬоЫп_уа @таі1. т
