CC BY
16
- © А.В. Борисенко, 2014
УДК 622.3:504.61
А.В. Борисенко
СКВАЖИННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ МЕТАНА ИЗ ЛИКВИДИРОВАННЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ: ВЫБОР ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
При разработке технологической части проектов извлечения метана из техногенных пустот угольных шахт важными вопросами являются выбор участков и определение параметров заложения метанодобычных скважин. В статье рассмотрены основные технологические аспекты по данному вопросу. Сформулированы основные критерии выбора перспективных участков извлечения метана из выработанных пространств ликвидированных угольных шахт (при прочих равных условиях), разработана методика выбора перспективных участков извлечения метана на полях ликвидированных угольных шахт на основе анализа горно-геологических и горнотехнических условий шахты, представлена соответствующая блок-схема. Ключевые слова: извлечение шахтного метана, подработанный горный массив, выработанное пространство, техногенный коллектор, участки заложения скважин, параметры метанодобычных скважин.
Крупномасштабная реструктуризация угольной промышленности, начавшаяся в 90-х гг. во всех угледобывающих регионах России, привела к закрытию большого числа нерентабельных и неперспективных угольных шахт. По данным ГУРШ, на 01.01.2010 г. ликвидировано, а также находится на стадии ликвидации 201 угледобывающее предприятие, в числе которых 186 шахт и 15 разрезов.
В подземных пустотах ликвидированных угольных шахт могут аккумулироваться значительные объемы метана, что, в свою очередь, приводит к ряду негативных последствий.
Шахтный метан по техногенным трещинам в горном массиве дренирует к дневной поверхности, проникая в подвальные помещения наземных строений, создавая тем самым угрозу населению, и выбрасывается в атмосферу, негативно воздействуя на окружающую среду.
Повышение уровня метанобезопасности на подработанных территориях ликвидированных угольных шахт, экологизация отрасли, путем сокращения шахтных выбросов парниковых газов в атмосферу, рост энергетической мощности угольных регионов, а также, выполнение прямых международных обязательств в рамках Киотского протокола делают данное направление актуальным и важным для угледобывающих регионов России.
Ниже сформулированы основные критерии выбора перспективных участков извлечения метана из выработанных пространств ликвидированных угольных шахт (при прочих равных условиях):
1. Максимальная удельная угленасыщенность области техногенного трещи-нообразования горного массива;
2. Наибольшая газоносность угольных пластов в нарушенной зоне;
3. Степень техногенной нарушенности подработанных угольных пластов, определяемая с учетом приоритетных параметров извлечения и утилизации метана;
4. Наибольшие площади отработанных участков;
5. Отсутствие (минимальное наличие) случаев выклинивания угольных пластов в районе выбираемого участка;
6. Поздние годы отработки угольных пластов;
7. Наличие и целостность экранирующих пород, препятствующих дренированию (миграции) метана на дневную поверхность;
8. Пологое залегание угольных пластов;
9. Нисходящий порядок отработки пластов;
10. Целостность пластов (низкая вероятность их разрыва при подработке), являющихся водоупорами водоносных горизонтов;
11. Низкий (незначительный) уровень затопления подземных горных выработок (в т.ч. выработанных пространств).
Также участок шахтного поля, выбираемый для заложения метанодобычных скважин с поверхности, должен удовлетворять ряду дополнительных условий:
12. Наличие незастроенной территории или соблюдение требований законодательства по минимальному расстоянию от объекта проведения работ до жилых строений;
13. Отсутствие на поверхности шахты в выбранных точках заложения скважин всевозможных водоемов;
14. Наличие (возможность обустройства) в выбранных точках заложения скважин ровных участков для размещения буровой установки и другого оборудования для производства работ;
15. Наличие участка достаточной площади для размещения техники и всего необходимого для производства работ оборудования;
16. Наличие вблизи источников электроснабжения и водоснабжения;
17. Наличие (возможность обустройства) подъездных путей для подвоза необходимых материалов и оборудования;
18. Наличие, а также непосредственная близость объектов-потребителей каптируемого метана.
На базе изложенных выше критериев и дополнительных условий разработана методика выбора перспективных участков извлечения метана на полях ликвидированных угольных шахт на основе анализа горно-геологических и горнотехнических условий шахты, блок-схема которой показана на рис. 1.
Необходимо отметить, что проранжировать эти критерии по степени важности не представляется возможным, т.к. в каждом конкретном случае тот или иной критерий может оказаться наиболее значимым и определяющим. Так, к примеру, один участок может «уступать» другому по площади отработанных полей, по угленасыщенности техногенного коллектора (суммарной мощности подработанных и нарушенных горными работами пластов), но при этом являться более перспективным ввиду более поздних годов отработки пластов или по гидрогеологическим условиям.
Следовательно, выбор участков заложения скважин должно базироваться на принципе комплексного учета всех значимых критериев выбора перспективных участков извлечения метана, что показано на блок-схеме соответствующими связями (рис. 1).
Для анализа горно-геологических и горнотехнических условий шахты и обоснованного выбора перспективных участков заложения скважин на основе изложенных выше критериев необходимо четкое представление о взаимном расположении всех выработанных пространств шахтного поля. С учетом того,
Рис. 1. Блок-схема выбора перспективных участков извлечения метана на полях ликвидированных угольных шахт
что многими шахтами отрабатывалось большое число пластов, наиболее удобным инструментом сравнительного анализа и выбора участков является геоинформационная модель выработанных пространств шахты, которая позволяет путем послойного наложения планов горных работ по всем рабочим пластам разделить шахтное поле на участки с различной кратностью подработки, определенной конфигурации и площади, что позволяет произвести их оценку по ряду критериев, в т.ч. максимальной угленасыщенности коллектора, наибольшей площади подработки и др.
На рис. 2 показана разработанная для условий шахты «Капитальная» (Кузбасс) графическая 2,50-модель выработанных пространств, включающая от-
Рис. 2. Наложение проекций выработанных пространств шахты «Капитальная»
работанные участки по 19 пластам из 34 угольных пластов и пропластков продуктивной толщи, мощностью 680 м.
В вопросе оценки метанодобываемости шахтных полей и определении оптимальных технологических параметров извлечения метана, существенное значение имеют геомеханические основы формирования техногенных коллекторов, структурные особенности и зональность техногенных пустот по характеру и степени деформаций и разуплотнений.
При многократной подработке массива зоны активных трещин, образованные отработкой нескольких пластов, могут соединяться между собой в единую систему техногенных нарушений, представленную различными разломами, трещинами и пр. пустотами - единый газовый коллектор.
Оценка наличия такой газопроводной связи между выработанными пространствами по нескольким рабочим пластам свиты, отработанным в границах определенного участка, является принципиально важным моментом, т.к. это может позволить обоснованно принять необходимую глубину заложения скважин с поверхности на этом участке и интервал перфорации, что существенно влияет на капиталоемкость и экономическую эффективность дегазационных работ в целом.
Сравнительный анализ научных и статистических данных из различных литературных и фондовых источников позволяет для оценки высоты зоны сквозных газопроводящих каналов и трещин (зоны активных трещин) принять величину 25 т, где т - вынимаемая мощность разрабатываемого пласта. Обоснованность данного значения подтверждается также результатами гидрогеологических наблюдений.
На рис. 3, 4 схематично показан пример выбора глубины заложения двух метанодобычных скважин № № 1-Э и 2-Э, предусмотренных Рабочим проектом извлечения метана из выработанных пространств шахты «Капитальная», основанный на расчете зон техногенного трещинообразования в массиве для условий участков заложения этих скважин.
Рис. 3. Конструкция скв. № 1-Э (на основании расчета зон техногенного трещинообразования, вызванного отработкой пластов Е1, К5, К4, КЗ)
- газолроводная связь Рис. 4
Конструкция скв. № 2-Э (на основании расчета зон техногенного трещинообразования, вызванного отработкой пластов Е6, Е4, Е1)
В точке заложения скважины № 1-Э отрабатывались четыре пласта - КЗ, К4, К5 и Е1, мощностью 1,27, 1,1, 1,72, и 2,55 м, в точке заложения скважины № 2-Э отрабатывались три пласта - Е1, Е4 и Е6, мощностью 1,95, 1,43 и 1,59 м соответственно.
Из рис. 3 видно, что зоны активных трещин, вызванные отработкой пластов в районе заложения скважины № 1-Э, объединены в единый газовый коллектор, исходя из чего скважину целесообразно закладывать в зону активных трещин верхнего из отработанных пластов, предусматривая вскрытие скважиной верхней границы этой зоны примерно на 20 м, поскольку эта величина является минимальной, при которой будет обеспечено вскрытие техногенного коллектора в условиях многократной подработки массива.
Расчет зон техногенного трещинообразования в районе участка заложения скважины № 2-Э (рис. 4) демонстрирует отсутствие газопроводной связи между выработанными пространствами, что говорит о необходимости вскрытия скважиной нижнего из этих коллекторов, с последующей перфорацией скважины в интервалах пересечения вышележащих выработанных пространств.
Анализ результатов проведенных исследований по уровням затопления выработанных пространств шахты «Капитальная» показал, что в условиях заложения скважины № 2-Э горизонт затопления по нижнему на этом участке выработанному пространству Е1 расположен на 29 м выше почвы вышележащего выработанного пространства Е4, что подтверждает отсутствие связи между этими коллекторами и позволяет сделать вывод об обоснованности принятого для оценки размеров зон активных трещин значения 25 m, без учета трещино-образования в надработанной области горного массива.
Для обоснования выбора диаметра эксплуатационной колоны скважины проведена оценка влияния аэродинамического сопротивления скважины определенного диаметра, при заданной ее глубине, на расход газа. Расчет массового расхода газа G проводился по формуле
N = — Р
N+^. &+^. +ЭД* 2+цв21
0 и п р и1 п р п и1 р
Расчет проведен при следующих параметрах:
• мощность насоса N = 132 кВт, производительность насоса V0 = 50 м3/мин. (вакуум-насос ВВН-50);
• диаметры обсадных труб в скважинах - два варианта: D = 114 мм, 146 мм;
• глубина скважины (длина трубопровода в скважине) - четыре варианта: l = 200 м, 300 м, 400 м, 500 м;
• шероховатость стенок трубопровода Д = 0,15 мм;
• кинематическая вязкость газа v = 1,49-10-5 м2/с;
• плотность метано-воздушной смеси р = 0,74 кг/м;
• суммарная длина трубопровода от устья скважины до насоса ^ = 30 м;
• диаметр наземного трубопровода D1 = 200 мм;
• шероховатость стенок наземного трубопровода Д = 0,15 мм;
• количество плавных поворотов в наземном трубопроводе п2 = 4;
• коэффициент аэродинамического сопротивления поворотов Е,2 = 0,13 п2;
• количество задвижек п3 = 4;
• коэффициент аэродинамического сопротивления задвижек = 0,15 п3.
О 50 100 130 200 250 30
Диаметр обсадной трубы в скважине Д мм
Рис. 5. Зависимость расхода газа Q от диаметра скважины D, при заданной глубине заложения h
На рис. 5 показана расчетная зависимость расхода каптируемой метано-воздушной смеси Q от внутреннего диаметра обсадной колонны О, при заданной глубине дегазационной скважины И, величина которой принята для четырех частных случаев, в интервале наиболее вероятных глубин заложения таких скважин из практики - 200-500 м, при использовании вакуум-насоса «Полученная зависимость демонстрирует незначительное снижение расхода газа при существенном увеличении глубины заложения скважин, которое составило 16,9% и 11,3% для скважин внутренним диаметром рабочей колонны 114 мм и 146 мм, соответственно, при увеличении глубины скважин в 2,5 раза - с 200 м до 500 м.
Таким образом, результаты расчетов показывают нецелесообразность учета аэродинамического сопротивления обсадных труб при выборе оптимального диаметра метанодобычных скважин, т.к. в диапазоне вероятных величин дебита газа, составляющего по опыту зарубежных стран порядка 20-30 м3/мин., данный параметр не является критичным. Соответственно при выборе диаметра скважин целесообразно исходить из условий габаритных размеров всего комплекса оборудования, спускаемого в скважину, использование которого предполагается в период строительства и эксплуатации скважин. По данному параметру необходимым и достаточным диаметром рабочей колонны скважины может служить 0114 мм и близкие к нему.
В вопросе выбора шага сетки заложения скважин, необходимо отметить, что в районе отработанного участка можно выделить три направления, в которых величина влияния скважины будет иметь различные характерные значения, определяемые проницаемостью углепородного массива, формируя очертание контура питания скважины: в направлении целика (Я1); в направлении выработанного пространства к середине лавы (Я2); вдоль выемочного столба, по зоне изгиба пластов, приконтурной своду обрушения пород при подработке
(К3). На рис. 6 показан прогнозный контур питания скважины в зависимости от места ее заложения относительно границ выработанного пространства.
При вскрытии скважиной выработанного пространства в зоне примыкающей к погашенному штреку, проницаемость нарушенного массива вдоль выемочного столба будет значительно выше, чем в поперечном направлении по пласту, а контур питания скважины будет вытягиваться вдоль выемочного столба. Радиус влияния скважины в нарушенном массиве, относительно точки вскрытия отработанного участка, будет различным во всех направлениях, и определяться аэродинамическим сопротивлением коллектора, с учетом его техногенной
пустотности и проницаемости, что говорит о целесообразности увеличения шага заложения скважин по оси, направленной вдоль выемочных столбов.
Таким образом, шаг сетки заложения скважин целесообразно выбирать с учетом длины лавы рассматриваемого объекта, которой будет определяться шаг заложения скважин по одной оси, с увеличением этого параметра по оси, ориентированной вдоль выемочного столба, на определенную величину, которая требует уточнения. На начальном этапе практического развития данного научного направления предлагается использование сетки 200 м на 400 м, при корректировке данных параметров в ходе реализации пилотных проектов.
Процесс слеживаемости пород в середине лавы протекает более интенсивно, чем по ее краям, что приводит с течением времени к более интенсивному уплотнению массива и закрытию трещин в этой зоне, исходя из чего, скважину целесообразно закладывать в приближенную к целику зону.
Интервалы перфорации скважин определяются ин-
Рис. 6. Прогнозный контур питания скважины в зависимости от места заложения относительно границ выработанного пространства: 1 - угольный пласт; 2 -выработанное пространство; 3 - целик; 4 - приконтурная зона свода обрушения пород (зона изгиба); 5 - ось скважины; 6 - контур питания скважины
тервалами пересечения зоны изгиба пород, в которой отдельные блоки обрушенных при подработке пород лежат в разных плоскостях, чем обеспечивается наибольшая раскрытость секущих трещин и повышенная проницаемость этой зоны, относительно других локаций техногенного коллектора. Такой зоной является приконтурная своду обрушения пород зона (рис. 6).
В случае вскрытия скважиной коллектора в зоне приближенной к центральной части выработанного пространства, интервал перфорации должен лежать в интервале, верхняя граница которого соответствует максимально возможному значению зоны активных трещин (40 m), а нижняя граница расположена на 20 м ниже верхней границы зоны активных трещин, рассчитанной по ее минимальному значению (25 m), где m - мощность разрабатываемого пласта.
Перфорация скважины в указанном выше интервале обеспечит вскрытие техногенного коллектора при различном литологическом строении массива, при этом, если зона активных трещин в реальных условиях составит 25 m, скважина будет дегазировать также и расположенную выше зону локальных трещин.
В случае вскрытия скважиной коллектора в непосредственной близости к целику, величина интервала перфорации Ип для вариантов заложения скважины от краевой части целика по восстанию / по падению пласта может быть определена из соотношений Ип = L • tg(y1 + а) и Ип = L • tg(y1 - а), соответственно, где L - расстояние от целика в плоскости пласта, - угол полных сдвижений, а - угол падения пласта.
Корректировка предложенных решений возможна по результатам практической реализации пилотных проектов на ликвидированных угольных шахтах РФ.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Борисенко Александр Викторович - ведущий инженер, e-mail: [email protected], МГИ НИТУ «МИСиС».
UDC 622.3:504.61
WELLBORE METHANE EXTRACTION FROM ABANDONED COAL MINES: SELECTION OF MAIN TECHNOLOGICAL PARAMETERS
Borisenko A.V., Leading Engineer, e-mail: [email protected], Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS».
The important issues during development of technological part of the design of methane extraction from technogenic interstices are the selection of areas and definition of methane extration wells allocation. Main technological aspects of the issues above are considered in the article.
Key words: coalmine methane extraction, tapped rock mass, tapped area, technogenic reservoir, areas of well location, methane extraction wells parameters.
