CC BY
30
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ “НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97”
МОСКВА, МГТУ, 3.02.97 - 7.02.97 СЕМИНАР 1 “ ПРОБЛЕМЫ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ (ДОБЫЧИ) МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
В.И. Серов, д.т.н., проф.
B.П. Виноградов, к.т.н.
C.Н. Гостева, инж.
Институт горного дела им. А.А.Скочинского
ВОЗМОЖНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИКИ УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ШАХТНОГО МЕТАНА
Разработка угля подземным способом сопровождается выделением значительных количеств метана. В среднем на каждую тонну добываемого в России угля выделяется 18 м3 метана, наличие которого в угленосных свитах связано с генезисом угля. Дебит метана из шахт в 1994 г. был равен 4230 м3/мин, из них системы вентиляции выдавали 3330 м3/мин метана при концентрации до 0,75% и системы дегазации каптировали 900 м3/мин при концентрации большей частью свыше 25% [ 1 ].
Из общего количества каптированного метана 200 м3/мин сжигалось в шахтных котельных, а остальное выбрасывалось в атмосферу.
Метан, удаляемый вентиляцией, энергетически обесценен, т.к. его использование хотя и возможно, но требует громоздких сооружений и поэтому экономически не оправдано.
Метан, каптируемый (отсасываемый) через скважины системы дегазации, напротив, является высококачественным моторным топливом, одинаково эффективным при концентрациях от 5% и выше при использовании в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания. Современные правила безопасности пока ограничивают нижний предел допустимых концентраций 25%, что обусловлено только неуверенностью в надежности пламепреградителей на питающих трубопроводах силовых установок, создание
которых не представляет принципиальных затруднений. Это позволяет строить и эксплуатировать шахтные автоматизированные силовые установки с рекуператорами тепла (малые ТЭЦ) с минимальными удельными капитальными вложениями 800 долларов США за 1 кВт установленной электрической и 0,001 гкал/ч тепловой мощности по ценам американского рынка и 600 долларов США за 1 кВт установленной мощности по ценам российских заводов. Приведенные цены зафиксированы в подписанных контрактах с фирмой “Катерпиллер” и АО “Коломенский завод” на поставку начиная с 1997 г. силовых установок мощностью 1000 кВт и 1,0 Гкал/ч в блочно-контейнерном исполнении, не требующем сооружения капитальных помещений для их размещения.
Существующий в настоящее время дебит каптированного метана, свободного для использования, позволит генерировать 146 МВт электрической и 125 Гкал/ч тепловой мощности. При прогнозируемом увеличении дебита каптированного метана до 1800 м3/мин можно будет генерировать 375 МВт электрической и 321 Гкал/ч тепловой мощности.
Потенциальные возможности энергетического использования шахтного метана в России могут быть показаны на примере шахт Воркуты, где техническая культура технологии дегазации находит-
ся на уровне лучших мировых показателей.
Воркута в 1994 г. каптировала примерно 50% выделяемого при добыче угля метана - 391 м3/мин ( по угольной промышленности в целом каптировался 21% эмиссии метана). Из этого количества 195 м3/мин использовались в котельных. Если оставшиеся 193 м3/мин использовать для питания силовых установок, можно получить 41 МВт электрической и 36 Гкал/ч тепловой мощности. Если же весь каптированный метан использовать для питания силовых установок, то можно получить 82 МВт электрической и 70 Гкал/ч тепловой мощности. Это близко к максимуму использования электрической мощности шахтами Воркуты, который находится на уровне 100 -115МВт [ 2].
Выработка электроэнергии и тепла при использовании всего каптированного метана на шахтных силовых установках в 1994 г могла бы составить 718320 МВтч и 615000 Гкал. В этом же году на добычу 13,6 млн. тонн угля было израсходовано 713200 МВтч электроэнергии. Таким образом, электроэнергия, полученная с ис-
пользованием каптированного метана, может покрыть потребности в ней.
В перспективе высокая степень энергетического использования шахтного метана может быть достигнута в масштабах всей угольной промышленности России, и метан сможет обеспечить ее энергоснабжение.
При оценке эффекта энергетического использования метана следует учитывать и то, что увеличение степени дегазации приводит к разгрузке вентиляционных систем шахт, которые потребляют 30% электроэнергии, расходуемой на добычу. Опыт одной из американских шахт показал, что использование дегазации снизило вдвое (на 4000 кВт) мощность шахтных вентиляторов.
Для реализации программы энергетического использования шахтного метана, финансируемой Минтопэнерго и Государственной компанией Росуголь, разработан и изготовляется ряд силовых газомоторных и газодизельных установок. Первые питаются только шахтным метаном, вторые до 10% первичной энергии потребляют в виде дизельного топлива [ см. табл.].
Таблица
Тин силовой установки Мощность Напряжение генератора, кВ Фирма-изготовитель
электр., МВт тепл., Гкал/ч
Г азо дизельная 2,5 2,4 6,3 АО “Русский дизель” АО "Коломенский завод” Ф. “Катерпиллер”, ВНИИГАЗ
Г а и>нам 1,0 1,0 6,3
Газовая 0,5 • 0,4
Во всех установках в качестве первичных двигателей используются четырехтактные двигатели внутреннего сгорания в виде конвертированных на газ серийных дизелей.
Анализ мирового опыта показал, что в диапазоне необходимых угольной промышленности мощностей эти двига-
тели более рациональны, чем газовые турбины, и, кроме этого, они могут работать на концентрациях метана от 5% и выше благодаря отсеканию клапанами камер сгорания цилиндров от питающей магистрали. Этим качеством не обладает газовая турбина, и область ее применения ограничена в принципе 25%.
По расчетам срок окупаемости силовых установок в угольной промышленности не превысит 2 лет.
Разрабатываемые установки могут быть использованы кроме угольной промышленности во всех отраслях хозяйства, располагающих природным газом, попутными газами, сопровождающими добычу и переработку нефти, и био- и генераторными газами, получаемыми из отходов сельского, лесного и коммунального хозяйств.
Организация производства автоматизированных газомоторных и газодизельных силовых установок (малых ТЭЦ) может стать одной из основ малой энергетики страны. Эти установки, питаемые сетевыми и местными газами, позволят организовывать комплексное снабжение электрической и тепловой энергией жилых районов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий.
Развитие метановой энергетики в угольной промышленности повышает безопасность работ, т.к. экономически стимулирует развитие систем дегазации и, таким образом, снижает риск взрывов и затраты на оплату электроэнергии.
Одновременно развитие метановой энергетики является одним из элементов решения глобальной природоохранной проблемы снижения выбросов метана в атмосферу Земли и элементом формирования энергосберегающей технологии.
Последнее явилось решающим аргументом для предоставления гранта Российско-Американского Комитета Программы импорта энергосберегающих и прородоохранных оборудования и материалов на приобретение в Америке силовых газомоторных установок, питаемых шахтным метаном.
На основании этого гранта 6 декабря 1995 г. ИГД им. А.А.Скочинского подписаны два контракта с фирмой “Катерпиллер” на поставку по техническим требованиям ИГД двух комплектных силовых газомоторных установок (малых ТЭЦ) мощностью по 1000 кВт, предназначенных для шахт “Северная” (Воркута) и “Чертинская” АО “Беловоу-голь”(Кузбасс) стоимостью по 800 тыс. долларов США каждая. Срок поставки -май 1997 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Забурдяев B.C. Метан угольных месторождений: ресурсы, объемы выделения, извлечения и использования. - Горный вестник. - 1994. -№ l.c.34-39.
2. Malyshev U.N., Serov V.J. Economical Aspects of Coalbed Methane Extraction and Utilisation by Coal Mines in CJS. Procudings of International Unconventional Gas Symposium. The University of Alabama, Tuscaloosa, Alabama USA, -May 14- 20, 1995. - c. 179 - 183.
© В.И.Серов, В.П.Виноградов, С.Н.Гостева
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ “НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97”
МОСКВА, МГГУ, 3.02.97 - 7.02.97
СЕМИНАР 1 " ПРОБЛЕМЫ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ (ДОБЫЧИ) МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Ш.У.Ахметбеков
к. т.н.
Институт проблем комплексного освоения недр Национальная академия наук республики Казахстан
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ЧЕРЕЗ СКВАЖИНЫ С ПОВЕРХНОСТИ
Основное назначение технологии добычи шахтного метана через скважины с поверхности заключается в следующем:
• увеличение дебита метана;
• обеспечение получения кондиционного метана.
В процессе эксплуатации скважины происходит снижение газопроницаемости массива, особенно в прискважинной зоне за счет выноса продуктов механического и химического разрушения угля.
С целью поддержания необходимого дебита метана из скважин следует проводить технологические мероприятия по восстановлению газопроницаемости обводненного массива после обработки. Длительность откачки рабочей жидкости воздействия препятствует ускоренной добыче метана из пласта через скважины с поверхности.
Практика эксплуатации скважин с поверхности показала возможность достижения дебитов метана до 2 - 4 м3/мин и более из одной скважины. В то же время установлено, что на некоторых скважинах дебит метана значительно ниже среднего достигнутого уровня ( менее 0,5 м3/мин).
Низкие дебиты метана в процессе эксплуатации скважин с поверхности могут быть вызваны различными условиями, основными из которых являются вышеуказанные причины. Низкие дебиты метана объясняются:
• недостаточной фазовой проницаемостью обработанного ппасш доя газа;
• снижением проницаемости прискважинной зоны.
Учитывая изложенное, нами был намечен иной подход к проблеме интенсификации добычи метана через скважины с поверхности, в отличие от применяемых способов интенсификации в нефтяной и газовой промышленности. Наш способ не требует дополнительных материалов и оборудования на проведение работ по интенсификации. Разработанная технология по интенсификации газо-выделения из угольного массива основывается на опыте применения способа гидрорасчленения.
Объектом исследований по внедрению методов интенсификации газовы-деления из угольного пласта выбрано поле шахты им. В.И. Ленина по пласту й6. Выбор данного шахтного поля обоснован из-за высокой газоносности угольного пласта (16, большим сроком активной дегазации еще до ведения горных работ (не менее 5 лет). Результаты исследований приведены в таблице 1.
ПНЕВМООТТЕСНЕНИЕ проводится с целью освобождения сети трещин гидрорасчленения и повышения фазовой проницаемости массива для метана. Закачка сжатого воздуха производится компрессором КПУ-16/100 с давлением на устье скважины, превышающим плас-
перфорации от штыба и угольной мелочи. Закачка сжатого воздуха проводится с помощью компрессора КПУ - 16/100 с давлением на устье скважины 2-3 МПа. Количество циклов и объем закачиваемого сжатого воздуха определяется в каждом конкретном случае отдельно по скважинам с поверхности и зависит от освоенности скважины. Проведенными исследованиями нами было установлено, что количество циклов закачки должно быть не менее 10. В каждом цикле закачивается в пласт 5 тыс. м3 сжатого воздуха с температурой на устье скважины 60 -70° С. После каждого цикла стравливается смесь воды и воздуха из скважины. После стабилизации дебита воды и метана ( в среднем через 17 часов после окончания интенсификации) проводятся контрольные замеры с отбором проб “мокрым способом” газовоздушной смеси с целью определения компонентов газа в лабораторных условиях, Измерения дебитов воды и газа и концентрации метана в газовоздушной смеси производятся 2 раза в сутки приборами, соответственно, водосчетчиком, газосчетчиком РГ- 40 (РГ - 100) и шахтным интерферометром ШИ -12.
Из таблицы 1 видно, что после проведения интенсификации газовыделе-ния дебит метана возрос с 0,3 до 0,55 - 0,6 м3/мин, то есть почти в 2 раза и на этом уровне стабилизировался. За весь период эксплуатации из скважины № 2 ГРП извлечено 1,43 млн.м3 чистого метана.
ВЫВОДЫ
1. Первые опыты по интенсификации газовыделения из скважин с поверхности дали положительные результаты. Дебит метана из угольного пласта через скважины с поверхности увеличился на 12 порядка по сравнению с дебитом мета-
на до проведения работ по интенсификации газовыделения.
2. Наиболее эффективно проводить пневмооттеснение рабочей жидкости расчленения на начальный период освоения и эксплуатации скважин с поверхности, что позволит ускорить сроки ввода скважины на максимальный дебит метана.
3. После окончания работ по циклическому пневмовоздействию необходимо не позднее 2-3 суток приступить к освоению скважины с помощью глубинных насосов с приводом от станков-качалок, так как со временем рабочая жидкость вместе с угольной мелочью и шламом притекает из массива к скважине, тем самым снижая проницаемость прис-кважинной зоны пласта.
4. Повторная перфорация позволяет повысить проницаемость прискважин-ной зоны пласта, очистить перфорационные отверстия в эксплуатационной колонне от шлама, угольной мелочи и продуктов механического и химического разрушения угля.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ахметбеков Ш.У., Шарипов Н.Х. Заблаговременная дегазация угольных месторождений.- М., ЦНИЭИуголь, 1991 г., 2,5 п.л.
2. Ахметбеков Ш.У. Стимуляция газовыделения из скважин гидрорасчленения. Министерство науки и новых технологий Республики Казахстан, КазгосИНТИ, 1994 г, 2,09 п.л.
3. Ахметбеков Ш.У. Извлечение метана из угольных пластов в условиях Карагандинского бассейна. Министерство науки и новых технологий Республики Казахстан, КазгосИНТИ, 1994 г., 3,49 п.л.
4. Сластунов С.В. Управление газодинамическим состоянием угольного пласта через скважины с поверхности. - М., МГИ, 1991 г., 13,5 п.л.
© Ш.У.Ахметбеков
