CC BY
31
-------------------------------------- © С.В. Сластунов, И.А. Швец,
К.С. Коликов, М.В. Шмидт, 2005
УДК 622.817.9:661.184.35
С.В. Сластунов, И.А. Швец,
К. С. Коликов, М.В. Шмидт
ЗАБЛАГОВРЕМЕННАЯ ДЕГАЗАЦИОННАЯ ПОДГОТОВКА НА ШАХТАХ КАРАГАНДИНСКОГО БАССЕЙНА
Т} аботы по данному направлению были начаты в Донецком -мГ и Карагандинском бассейнах в 1961 г. по инициативе горного инженера, профессора Ножкина Н.В. и под руководством академика А.А. Скочинского. За время испытаний, опытнопромышленной апробации и внедрения этого способа только в Карагандинском бассейне было обработано более 50 млн т запасов угля через 140 скважин на 10 шахтных полях. К настоящему времени в зонах гидрорасчленения добыто более 25 млн т угля.
В ходе работ выполнялся комплекс исследований для установления механизма процесса гидрорасчленения; отработки технологии активного воздействия на пласт и освоения скважин; определения эффективности способа по снижению газоносности и выбросо-опасности угольных пластов, газообильности очистных и подготовительных выработок; оценки изменения физико-механических свойств угля, газодинамического и напряженно-деформированного состояния массива, пластового давления; установления закономерностей газовыделения от времени и оценки возможного объема извлечения метана; разработки способов интенсификации газовыде-ления и методов диагностики скважин.
В зависимости от условий проведения гидрорасчленение использовалось по двум схемам: комплексной и заблаговременной дегазации угольных пластов. Основная часть скважин использована на действующих горизонтах шахт по первой схеме - комплексной
дегазации. Гидродинамическое воздействие в этом случае применяется для повышения проницаемости пластов с последующим извлечением метана через скважины гидрорасчленения и пластовые скважины. Срок освоения и эксплуатации скважин расчленения по этой схеме не превышает 1,5 лет, снижение газоносности с учетом пластовых скважин достигает 8-10 м3/т. В ходе испытаний установлено, что данный способ является эффективным средством снижения газообильности очистных забоев при их высокопроизводительной работе. Достигнуто снижение абсолютной газообильности на 37-70 %. Продуктивность пластовых скважин в зонах комплексной дегазации возросла в 3-7 раз.
При заблаговременной дегазационной подготовке срок эксплуатации скважин должен составлять не менее 4-5 лет. Этому критерию соответствует всего четыре участка на двух шахтных полях: на восточном крыле, юго-западном крыле, глубоких горизонтах шахты "Сокурская" и на восточном крыле шахты им. Ленина, где было пробурено и обработано соответственно 3 , 3 , 16 и 14 скважин.
Шахты Карагандинского бассейна разрабатывают угольные пласты весьма газообильные по метану и склонные к внезапным выбросам угля и газа. Добыча одной тонны угля сопровождается выделением в горные выработки шахт от 30 до 45 м3 метана, поэтому особое внимание в процессе угледобычи уделяется вопросам снижения до безопасных значений содержания метана в районах ведения горных работ и его утилизации. Достигнутая за последние годы небывалая для Карагандинского бассейна нагрузка на очистные забои, порядка 5-7 и более тыс. т в сутки, позволила организовать в угольном департаменте работу по схеме шахта - лава. Сегодня на каждой шахте работают лавы с миллионной нагрузкой.
Вместе с тем, концентрация горных работ привела к росту в 2-5 раз абсолютной газообильности выемочных участков достигающей 100-150 м3/мин. Эту проблему возможно решить с применением комплекса способов дегазации с устойчивой эффективностью 65-80 %.
Особое внимание уделяется заблаговременной дегазационной подготовке выбросоопасного пласта Д6 в Шахтинском регионе. Работы по этому направлению ведутся в постоянном научнопроизводственном сотрудничестве с Московским Государственным Горным Университетом.
Заблаговременная дегазационная подготовка угольных пластов через скважины с поверхности является первой стадией разработки угольных месторождений, целью которой является снижение газоносности угольного пласта и обеспечение безопасных условий ведения горных работ.
Технико-экономическая эффективность заблаговременной дегазационной подготовки пласта д6 подтверждается опытом работ, проведенных на шахте имени В.И. Ленина в 1983-1991 годах. В этот период при освоении ранее обработанных скважин была снижена газоносность пласта д6 на 6-9 м /т запасов; сокращено по газовому фактору проведение около 2 км парных бремсбергов стоимостью около 2 млн долларов; созданы предпосылки прироста добычи угля за счет дегазации в обработанной зоне.
Сведения о развитии заблаговременной дегазационной подготовки в Карагандинском бассейне представлены в табл. 1.
Работы по заблаговременной дегазационной подготовке газоносных пластов на шахтах УД ОАО «Испат Кармет» возобновлены в 1996 году. В соответствии с Программой испытаний заблаговременной дегазационной подготовки выбросоопасного пласта д6 на полях шахт им. Ленина и «Казахстанская» эти работы ведутся на основе инвестиционного финансирования в объеме 48-43 млн тенге в год (330 тыс. у.е.), что обеспечивает ежегодное бурение и обработку 3 новых скважин и обслуживание комплекса из 12-15 осваиваемых скважин.
В качестве базовой технологии использовано гидрорасчленение пласта с последующим удалением рабочей жидкости станками-качалками и извлечением метана. За истекший период на шахте им. Ленина обработано 8, а на «Казахстанской» - 15 скважин, освоение которых ведется путем откачки рабочей жидкости станками качалками СК-5, СК-6 с погружными насосами и извлечением метана в режиме самоистечения. За это время испытаны практически все известные в мировой практике способы воздействия на угольный пласт: гидравлическое воздействие, пневмогидровоздействие, пневмогидровоздействие со сбросом давления, гидравлическое воздействие с химической активизацией параметров воздействия и ряд других. В условиях пласта Д6 наилучшие результаты получены при пневмогидровоздействии со сбросом давления и дополнительной химической обработкой
пласта. Максимальный дебит метана одной скважины достигал 1,5 м3/мин.
Таблица І
Заблаговременная дегазационная подготовка на шахтах карагандинского бассейна
№ Шахта Период прове- Количество Срок ос- Съем метана
дения работ Скважин ГРП Пласто- операций воения лет Всего, 3 млн. м На тонну обработанных запасов, м3/т
І Им. Калинина 1970-1974 9 І8 Извлечение метана на поверхность не велось. В
2 Чурубай -Нуринская 1983 3 4 зонах ГРП бурились пластовые скважины, эф-
3 Карагандинская 1979-1980 2 2 раза
4 Им.50-летия Окт. Революции 1980-1982 8 8 4 7,463 3,40
5 Саранская 1973-1988 І8 29 б 14,150 4,80
б Стахановская 1985-1988 4 4 2 1,663 1,38
7 Им. Костенко 1967-1980 4І 5І 3 24,900 2,90
8 Сокурская 1977-1982 7 22 4 10,233 3,35
1987-1990 І4 54 2 2,087 0,14
9 Им. Ленина 1983-1990 І4 І4 8 18,230 б,0-9,0
1996-2004 8* 8* 3 4,157* (4-6)*
І0 Казахстанская 2000-2004 15* І5* (8-10)* 5,514* (6-8)*
ИТОГО І43 229 89,022
*1996-2004 - в Угольном департаменте ОАО «Испат Кармет»
Таблица 2
Показатели расчленения пласта и освоения скважин ЗДП на полях шахт им В. И. Ленина и «Казахстанская»
№ Дата об- Объем Начало Извлечено: Съем ме-
скв. ра-ботки закачки воды, м3 освоения Воды, м3 Газа, 3 тыс. м тана, м3 /т
Шахта им. Ленина
15 10.1996 4232 12.1996 563 (13%) 1762 6,3
16 06.1998 5300 07.2000 265 (5%) 270 1,0
17 06.2000 4465 10.1999 223 (5%) 485 2,2
18 07.1999 3900 06.2000 351 (9%) 264
19 12.1998 3140 08.2000 190 (6%) 300 1,3
20 11.1998 4380 12.1998 263 (6%) 404 1,4
21 05.2000 3800 01.1999 190 (5%) 261 1,0
22 08.2000 1437 12.1999 144 (10%) 266 2,4
Шахта «Казахстанская»
23 10.2000 4750 10.2000 380 (8%) 540 2,2
24 09.2000 4750 09.2000 320 (8%) 715 2,7
25 05.2001 4838 07.2001 290 (6%) 490 2,4
26 06.2001 4570 12.2001 320 (7%) 500 1,7
27 08.2001 4150 09.2001 250 (6%) 430 1,2
28 11.2001 4950 08.2002 250 (5%) 460 2,3
29 06.2002 5830 08.2002 350 (6%) 440 2,4
30 07.2002 4000 08.2002 300 (5%) 440 2,2
31 08.2002 1100 08.2002 150 (11%) 220 1,3
32 04.2003 4570 06.2003 50 (1%) 680 3,1
33 09.2003 4828 12.2003 50 (1%) 70 0,5
34 11.2003 4570 06.2004 50 (1%) 30 0,3
35 08.2004 1900 08.2004 100 (5%) 70 0,5
36 09.2004 4000 11.2004 50 (1%) 20 0,5
37 10.2004 4600 11.2004 50 (1%) 25 0,5
Показатели расчленения и освоения скважин заблаговременной дегазационной подготовки представлены в табл. 2.
На поле шахты «Казахстанская» создан комплекс из 15 газодобывающих скважин с суммарным дебитом, достигающим 4,0-4,5
м3/мин при концентрации метана в извлекаемой смеси 96-98 %. В настоящее время на всех этих скважинах осуществляется факельная утилизация метана, что обеспечивает сокращение эмиссии парниковых газов в атмосферу на 30 тысяч т в год углеродного эквивалента. При стоимости 1 т углеродного эквивалента 6 у.е. экономический эффект от продажи квот может составить 180 тыс у.е.
Эффективность извлечения метана из техногенного коллектора, сформированного при заблаговременной дегазационной подготовке, определяется проницаемостью созданной системы трещин, природной газоносностью угольного массива и видом связи метана со структурой угольного пласта. Закономерности снижения газоносности угольного пласта при его заблаговременной дегазационной подготовке иллюстрирует рисунок.
При природной газоносности пласта Д6 18 м3/т и остаточной газоносности угля 4 м3/т, в зоне обработки скважины содержится газовый потенциал, составляющий 2,1 млн м3. Из них порядка 300000 м3 метана находится в свободном состоянии и 1,8 млн м3 в связан-
Х, м 3/т
16
12
8
4
20 40 60 80 100 120 140 Цм
Закономерности истечения метана и снижения газоносности угольного пласта в зоне скважины заблаговременной дегазационной подготовки
ном состоянии.
При освоении скважины в первую очередь извлекается свободный газ ^), содержащийся в трещинах и сообщающихся порах. По мере снижения давления свободного газа, в созданном техногенном коллекторе начинаются сложные и длительные процессы перехода связанного метана в свободное состояние. Причем более интенсивно дегазируется прискважинная часть этого коллектора, где газоносность снижается до уровня, близкого к остаточной газоносности угля. При радиусе прискважинной зоны 50 м, из нее может быть извлечено порядка 500000 м3 связанного метана ^2).
Менее интенсивно дегазируется периферийная часть зоны техногенного коллектора. При длительном освоении в течение 6-10 лет, из нее может быть извлечено еще порядка 800000 м3 связанного метана.
Таким образом, суммарный потенциал извлечения газа из зоны одной скважины оценивается в 1,5 млн м3 метана или в 70 % от его общего количества.
Горно-геологические условия могут способствовать более интенсивному извлечению метана из скважин ЗДП. На участках угольных пластов, прилегающих к крупным тектоническим нарушениям, природная нарушенность массива позволяет формировать в процессе гидрорасчленения более продуктивные техногенные коллекторы. При одинаковой технологии воздействия на пласт, интенсивность газовыделения за счет благоприятных горногеологических условий повышается в 2-3 раза. Однако и на этих участках срок эксплуатации скважины может достигать до 10-15 лет.
Достигнутый съем и динамика газовыделения скважин заблаговременной дегазации (скв. ГРП №23-37) на поле шахты «Казахстанская» подтверждает прогнозное извлечение за 6-8 лет освоения на уровне 6-8 м3/т и рентабельность планируемых работ. Этот вид дегазации позволит обеспечить планируемый уровень угледобычи в 5000-8000 т/сут в лавах западного блока пласта Д6. Другими способами дегазации такого съема метана достичь невозможно.
Для дальнейшего развития и расширения области применения данного способа необходимо значительное повышение техникоэкономических показателей. Это возможно за счет:
• выбора мест заложения скважин в зонах повышенной газопроницаемости и газоотдачи;
• повышения эффективности воздействия за счет совершенствования разработанных и применения новых способов воздействия;
• повышения эффективности освоения скважин и интенсификации газо-выделения за счет оптимизации технологии и применяемого оборудования, позволяющей, например, снизить амортизационные отчисления и потребление электроэнергии, увеличить газо-выделение и т.д.;
• переоборудования геологоразведочных скважин в специальные скважины гидрорасчленения, стоимость сооружения которых достигает 40-50 % капитальных затрат;
• привлечение механизма торговли квотами на выбросы парниковых газов при реализации проектов на заблаговременную дегазационную подготовку.
В настоящее время основное внимание, как наиболее перспективным, уделяется первым двум направлениям. Остальные возможности используются недостаточно.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------------
Сластунов С.В. - проректор по научной работе, доктор технических наук, Московский государственный горный университет,
Швец И.А. - УД ОАО «Испат-Кармет»,
Коликов К.С. - доктор технических наук, доцент, Московский государстве нный горный университет,
Шмидт М.В. - кандидат технических наук, НТЦ «КОМИР», Караганда
