CC BY
7
УДК 622.235
РАЗРАБОТКА СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СПОСОБОВ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
Михаил Николаевич Цупов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, ведущий инженер НИЦ, тел. (383)217-05-22, e-mail: lion_ltd@ngs.ru
Андрей Владимирович Савченко
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, зав. НИЦ, тел. (383)217-01-26, e-mail: sav@eml.ru
Рассмотрены различные способы дегазации угольного пласта. Разработан стенд для определения оптимальных параметров физических воздействий на угольный керн с целью его дегазации.
Ключевые слова: способы дегазации, стенд, фильтрация, физические воздействия.
TEST BENCH FOR COALBED METHANE DRAINAGE TECHNIQUES
Mikhail N. Tsupov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Principal Engineer, R&D Center, tel. (383)217-05-22, e-mail: lion_ltd@ngs.ru
Andrei V. Savchenko
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Head of R&D Center, tel. (383)217-01-26, e-mail: sav@eml.ru
The paper discusses techniques used in coalbed methane drainage. The authors have developed a test bench to determine optimal parameters of physical effect on coal core to remove methane from it.
Key words: methanedrainage techniques, test bench, filtration, physical effects.
В настоящее время во всем мире растет интерес к нетрадиционным источникам энергии, таким, как угольный метан и сланцевый газ. 20-25 назад метан угольных пластов являлся лишь одним из осложняющих факторов при добыче угля. К 2010 практически все государства мира имеют собственные программы освоения и развития технологий по добыче газа угольных пластов, и многие уже добились значительного успеха. Например, Китай в 2006 г добыл 1,4 млн
3 3
м метана, США в 2007 году добыли около 61 млн м , а Австралия добыла в 2008 году - 4млн м .
В России с ноября 2011 года метан угольных пластов был внесен в Общероссийский классификатор полезных ископаемых и подземных вод и признан
самостоятельным полезным ископаемым. В Кемеровской области на Талдин-ском месторождении добычей метана с 2003 года занимается ООО «Газпром добыча Кузнецк» - дочерняя компания ОАО «Газпром», и уже в 2014 году было
-5
добыто 2,8 млн м газа [1].
Мировой опыт показывает, что метан из угольных пластов можно и нужно добывать, так как это энергетический ресурс, который используется для получения более дешевой электроэнергии и тепла.Например, в Австралии в штате NewSouthWales работают 94 газовых двигателя мощностью 1 МВт каждый, использующие в качестве топлива метан с трех шахт. Использование небольших установок обеспечиваетвысокий КПД, при этом большоеих количестводает возможность легко регулировать и оптимизировать нагрузки, а также при необходимости легко их перемещать. В США в штате Вайоминг налажено производство микротурбин, использующихся для получения электроэнергии на местах, установкитакже возможно транспортировать, однако установки данного типа требуют частых регламентных работ по обслуживанию. В ФРГ государство стимулирует использование газа из угольных пластов и выступает в роли потребителя полученной энергии. Государство покупает электроэнергию по цене 7 евро за 1 кВт/ч [2,3].
Для успешной реализации проектов по добычеметана необходимыего крупномасштабные запасы, высокая газоносность, а также проницаемость пластов, наличие инфраструктуры и близкое расположение потребителей. Однако на практике все получается намного сложнее: проницаемость пластов недостаточна, что влечет за собой дорогостоящие работы по разупрочнению угольного пласта, концентрация метана в соседних скважинах может значительно отличаться, это влечет работы по бурению дополнительных скважин, что ведет к увеличению затрат. Также практическое освоение месторождений метана выявило достаточно быстрое падение дебита газа, независимо от расположения скважин в целиковом поле пластов или в отработанных шахтах.
Решением вопросов улучшения проницаемости пластов и увеличением дебита газа занимаются во всем мире.Предлагается множество решений, экспе-риментальноопробованных на практике[4,5,6,7], таких как:
• гидроразрыв- нагнетание в скважину воды под давлением с целью разрушения призабойной зоны (улучшает проницаемость пласта, но временно смачивает его, блокируя выход газа, так же эффективность значительно уменьшается с ростом глубины);
пневмогидродинамическое воздействие- нагнетание в скважину воды под давлением с целью разрушения призабойной зоны и продувки для ускорения начала выхода газа(позволяет сократить время от начала гидроразрыва до эксплуатации скважины);
гидроразрыв с закачиванием совместно с рабочей жидкостью в образованные трещины пропанта- инородных частиц, которые не дают смыкаться трещинам(более дорогостоящий способ гидроразрыва, позволяет дольше не смыкаться образованным трещинам);
• каскадный- гидроразрыв с нескольких соседних скважин с целью образования трещиноватости между ними(дорогостоящий, требует остановки нескольких скважин);
• гидроразрыв с добавлением химикатов- в пласт закачивают пену, затем закачивают воздух или азот и резко снимают давление(метод эффективен, но дорог в применении и загрязняет окружающую среду);
• кавитация- повышают давление в скважине, а потом сбрасывают до ми-нимального-процедура повторяется неоднократно (позволяет не прерывать промышленную эксплуатацию скважины, но возможны выбросы метана);
• с добавлением микроорганизмов- после гидроразрыва закачивают биомассу с микроорганизмами, периодически продувают воздухом для поддержания их жизнедеятельности, что способствует разрушению угля(сложен и дорог в применении);
гидрорасчленение- закачка рабочей жидкости в пласт под давлением с целью раскрытия ранее образованных, но закрывшихся трещин (профилактика скважины на время работ, скважина не пригодна для добычи газа);
• акустический- воздействие с частотой 22-44 кГц способствует выходу метана(сложен в применении);
• вибровоздействие- способствует выходу метана(сложен в применении).
При этом промышленно применяются лишь некоторые способы гидроразрыва, остальные способы не нашли широкого использования из-за малой эффективности или сложности технологии.
Таким образом актуально стоит вопрос об увеличении выхода метана как для промышленной добычи газа, так и с точки зрения обеспечения безопасности ведения работ в шахтах по добыче угля.
На данный момент до конца не исследовановзаимодействие между углем и метаном и свойства данной системы, а такжеспособы эффективного воздействия для разрушения данного объединения.
Для оценкиэффективности методов воздействия на угольный пласт с целью его дегазации в Институте горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН разработан стенд, позволяет исследовать влияние на угольный образец различных физических полей. Стенд позволяет моделировать условия естественного залегания угольного образца (горное и поровое давление, температура).
Конструкция стенда включает в себя испытательную камеру высокого давления (рис. 1), гидравлическую и электрическую измерительную схемы (рис. 2), которые образуют функциональную систему моделирования пластовых условий, воздействия волновыми полями и измерения физических величин.
После помещения керна в герметичную оболочкуон обжимается по диаметру и поджимается поршнями с обоих торцов, при этом давление обжима и давление воздействия на торцы в отдельности мы можем регулировать независимо друг от друга. Это позволяет моделировать различное напряженное состояние в массиве. Планируется проводить комплексное исследование керна на данном стенде с возможностью визуального контроля и автоматической записи физических процессов, с ручным или автоматическим управлением процессами.
Поршень Рис. 1. Схема камеры
Рис. 2. Гидравлическая схема стенда:
Условные обозначения: Р11- воздействие давлением, направление давления;-емкость; Ф- нагревательный элемент; О - сс сейсмостанция, сг сейсмогенератор,
аг акустический генератор;б-Г баллон с газом;© - частотный генератор; <5-МI манометр, Т1 термометр, порядковый номер; АЦП аналого-цифровой преобразователь; га газоанализатор; Рас расходомер;© -Н1 насос, номер насоса;1Х1- -К1 кран, номер крана;-^- - Кл1 обратный клапан, номер клапана.
Данная лабораторная установка позволит проводить исследования для геологоразведочных и добывающих предприятий по определению газоносности, пористости и проницаемости угольных образцов.
Для доставки образца угля от месторождения до лаборатории в условиях, приближенным к условиям пластовой среды разработан и изготовленгермети-зированный контейнер (рис. 3). В контейнере имеется возможность контроля
давления и температуры образца. Керноприемное устройство не содержит электрических частей и может использоваться в условиях, опасных по взрыву газа и пыли.
Рис. 3. Контейнер для транспортировки керна.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сайт Газпрома [Электронный ресурс]-режим доступа http://www.gazprom.ru
2. С.А. Астахов Утилизация шахтного газа //Уголь.- 2006.- № 08. - С.9 - 13.
3. В.А. Безпфлюг Опыт утилизации шахтного метана в ФРГ и возможности его утилизации в России // Уголь.-2006.- № 08. - С.31 - 38.
4. В. И. Клишин, Л. В. Зворыгин, А. В. Лебедев, А. В. Савченко.Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений // Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т горного дела. - Новосибирск: Издательский дом «Новосибирский писатель», 2011. - 524 с., илл.
5. Ш.А. Ахметбеков Интенсификация газовыделения из угольных пластов через скважины с поверхности // Горн. инф.-анал. бюл. / Моск. гос. горн. ун-т. - 1997. - №6. -С. 149-151.
6. Пат. 5474129 США, МКИ6 Е 21 В 43/25. Образование трещиноватости, вызываемой стимулированием скважинной дегазации угля с применением пены. Cavity induced stimulation of coal degasification wells using foam /WengXiaowei, Montgomery Carl T., Perkins Thomas K., Atlantic Richfild Co. - № 334908; Заявл. 07.11.94; Опубл.12.12.95; НКИ 166/308. - РЖ Горное дело. - 1998. - №3. - 3 В131П.
7. СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ ,6 E21B43/295, Дата подачи заявки: 1998.01.23 , Автор(ы): Шумков С.И.; Малышев Ю.Н.; Терехова С.Е.; Лауринавичюс К.С. , Патентообладатель(и): Научно-техническая горная ассоциация , Адрес для переписки: 117910, Москва, Ленинский пр-т 29, НТГА.
© М. Н. Цупов, А. В. Савченко, 2016
