Обоснование возможности извлечения метана из неразгруженных угольных пластов

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 622.411.33:533.17

Обоснование возможности извлечения метана из неразгруженных угольных пластов

к.т.н. Шарипов Н.Х. (Караганда, КарГТУ),

к.т.н., Харьковский В.С. (Караганда, КарГТУ),

к.т.н., Ли К.Д., д.т.н. Шмидт М.В.

(Караганда, ДГП «КазНИИБГП»)

В отличие от нефтяных и газовых коллекторов, большинство угольных пластов характеризуются более низкими значениями природной пористости и фильтрационной и диффузионной проницаемости. Кроме того, угольное вещество является активным сорбентом, и содержащийся в них метан преимущественно находится в физически и химически связанном состоянии. Естественная проницаемость угольных пластов мала и в условиях Карагандинского бассейна она составляет (1050)10^-4 мД.

В соответствии с современными представлениями метан в угленосной толще угольных месторождений содержится в следующих основных формах: в виде свободного газа, заполняющего поры и пустоты в угле; в сорбированном состоянии: в состоянии физико-химической связи с органической массой угля и в растворенной форме с подземной водой. В пластах и пропластках угля и углистых породах связанный метан составляет до 80-95% от общего объема. В толщах, бедных органикой, газ может находиться в свободном состоянии в порах, трещинах или в растворах, в особых термобарических условиях - в кристаллогидратной форме. Максимальное количество газа (до 50 м³/т) содержится в угольных пластах, минимальное (1- 4 м³/т) во вмещающих породах [1], что определяет неравномерность газоносности угленосной толщи, как в разрезе, так и в плане. Газоносность вмещающих пород угленосной толщи Карагандинского бассейна оценена в работе [2], где отмечается, что наибольшей газоносностью обладают аргитиллиты карагандинской свиты.

На глубине 250 м она составляет 2 м³/т породы, а на глубине 800 м - 3 м³/т, причем аргилеллиты Карагандинской синклинали на глубине 400 м обладают несколько большей газоносностью (на 0,5 - 1,0 м³/т породы). Наименьшей газоносностью характеризуются аргиллиты долинской свиты Тентекского района. На глубине 400 м она составляет 1,0 - 1,3 м³/т породы.

На угольных месторождениях обычно выделяют два вида коллекторов: коллекторы связанных газов - угольные пласты, пропластки, включения, углистые породы с высоким (более 20%) содержанием органики и коллекторы свободных газов - вмещающие породы с малым (до 10 %) содержанием органических веществ [2]. Объем и характер метанонасыщенности угля определяется его пористостью, давлением газа, температурой и вещественным составом угля. Поверхность элементов слагающих массив угленосной толщи - один из основных показателей, определяющих содержание в них газа в связанном и свободном состоянии. В угольных пластах основное количество газа находится в связанном состоянии: преимущественно в виде раствора в твердом веществе (абсорбция), в сгущенном виде на поверхности пор (адсорбция) и конденсированном в надмолекулярных порах. Исследованиями пористости углей [3-4] установлено, что основной объем обусловлен молекулярными порами, размером в несколько ангстрем, т.е. равным размерам молекул газов, встречаемых в угольных пластах (метан, углекислый газ, азот, водород, гомологи метана и др.). Происхождение пустот увязывается с отрицанием метана и воды из вещества угля в процессе его метаморфизма, с наличием атомарных пустот в молекулах вещества угля или с расстояниями между углеродными слоями в кристаллитах.

Проблема извлечения метана из неразгруженных горными работами угольных пластов по существу является проблемой управления сорбционными процессами в системе «уголь-метан-жидкость». Современные представления о связи метана с углем основаны на теоретических положениях и экспериментальных данных физической химии искусственных и природных сорбентов. Явление сорбции метана на угле обусловлено наличием в нем микропор. Газоносность, прежде всего, зависит от свойств природного угля как пористой среды, под которой понимается твердое тело (матрица или скелет), содержащее в достаточно большом количестве природные пустоты, размер которых неизмеримо мал по сравнению с размером твердого тела. Такие природные пустоты принято называть порами независимо от их формы и размера. Природные пустоты размером свыше 10^-7 м в ископаемых углях представлены в основном трещинами, у которых величина одного зияния на несколько порядков меньше двух остальных размеров. Ископаемые угли имеют несколько систем эндогенных и экзогенных трещин, по - разному сориентированных в пространстве и расчленяющих уголь на макроструктурные элементы.

Микропоры при очень малом их объеме (сопоставимым с объемом молекулы метана) являются областью влияния сорбционных сил. Именно эти микропоры и газ, находящийся межмолекулярном пространстве угольного вещества (в твердом углегазовом растворе), определяют основные объемы метана в угольных пластах. метан горный дегазационный угольный

Сообщающиеся микропоры и трещины представляют собой эффективное поровое пространство угля, в котором протекают сложные физико-химические процессы. Природные поры, имеющие размер порядка 10^-9 м, вместе с трещинами образуют сложную газогидродинамическую систему, в которой возможны различные режимы движения газа (от молекулярной диффузии до турбулентной фильтрации).

Таким образом, большая часть газов, содержащихся в угольных пластах в естественных природных условиях, не может считаться в строгом смысле газами, так как в связанном состоянии они не подчиняются газовым законам; и только те из них, которые в угольном пласте находятся в свободном состоянии, являются таковыми [2]. В связанном состоянии «будущие» газы не могут реализовать свою внутреннюю энергию, пока не перейдут в свободную фазу, а для этого необходимо, чтобы давление газа снизилось до уровня определяющего его физическое состояние. Следовательно, процессы, газопоявления при горных работах в подавляющем большинстве являются результатом техногенного воздействия на массив.

При этом пористость углей определяет не только их свойства как коллектора метана, но и как источника газоотдачи пласта и твердого напряженно-деформируемого природного сорбента и условиями управления физическими компонентами массива. В связи с этим, оценка угольного вещества, как источника промышленной добычи метана бесшахтным методом должна базироваться не на общих геологических ресурсах метана в пластах, а на промышленно извлекаемых, на данный период, технологий дегазации. В подтверждение этого приведем результаты исследований динамики извлечения метана из техногенных коллекторов различного типа, которые были проведены на Восточном блоке поля шахты им. Ленина при подготовке и отработке 6 очистных забоев. При этих исследованиях извлечения метана были рассмотрены следующие техногенные коллекторы: выработанное пространство очистного забоя; подготавливаемый к отработке угольный массив с дегазационными пластовыми скважинами; зоны заблаговременной дегазационной подготовки. Обобщенные результаты исследований представлены динамикой снижения газоносности различных типов техногенных коллекторов метана при их дегазации.

Известно, что угольные пласты характеризуются величиной остаточной газоносности. Это количество метана, входящее в величину метаноносности угольных пластов, не выделяется даже после выдачи отбитого угля на поверхность. Отметим, что величина остаточной газоносности угля определяется только лабораторными методами при глубоком вакуумировании измельченного угля, нагретого до определенной температуры.

Анализ динамики извлечения газа из пласта, обуренного обычными дегазационными пластовыми скважинами, показывает, что при глубинах свыше 400-500 м съем газа ограничен его содержанием в свободном состоянии и не превышает уровня 2-3 м³/т.

Рассмотрим так же извлечение метана из выработанного пространства, где основным источником газа является оставляемая часть пласта d₆ мощностью до 2м.

Этот массив разбит системой эксплуатационных трещин и в значительной мере разгружен от горного давления. В лабораторных условиях, раздробленном угле, сорбционно-десорбционногые процессы имеют продолжительность, измеряемую часами. Однако в этом реальном коллекторе процессы перехода газа из структуры угля в свободное длятся более полугода. То есть, даже при достаточно эффективной разгрузке пласта остается «газовый барьер» в переходной зоне, соединяющей метан, связанный со структурой угля, и микротрещины, где газ находится уже в свободном состоянии. Сила этих связей значительно ослабевает при внешнем, энергетическом воздействии на уголь. Это свидетельствует, что «газовый барьер» имеет энергетический характер и может быть целенаправленно разрушен внешним воздействием.

В частности, путем обычного гидрорасчленения (гидроразрыва) неразгруженного угольного пласта через скважины с поверхности возможно извлечь до 60 % метана, содержащегося в угольном пласте в радиусе до 120м от скважины.

Таким образом, для эффективного извлечения угольного метана необходим целый комплекс последовательных и многостадийных воздействий на природную систему, «уголь-газ», направленных на преодоление различных форм их физических и химических связей. При этом на первой стадии в разрабатываемом на газ угольном пласте необходимо создать техногенный коллектор, существенно повышающий природную проницаемость угольного массива, что может быть достигнуто использованием его гидрорасчленения (гидроразрыва) через скважину с поверхности.

Общий вид техногенного коллектора, формируемого при гидрорасчленении угольных пластов, представлен на рисунке 3.

Создание техногенного коллектора обеспечивает доступ к скважине свободного и (частично) сорбированного метана. Закачка рабочего агента в расчленяемый (разрываемый) угольный пласт за счет сопровождающих этот процесс различных физических эффектов (набухание и др.) оказывает влияние на наименее энергоемкие связи метана с углем.

Однако для преодоления таких форм связи метана со структурой угольного вещества, как «твердый углеметановый раствор» и «газокристаллический метан», необходима разработка принципиально новых способов воздействия.

Анализ необходимых величин энергетических воздействий, требуемых для преодоления различных форм связей метана со структурой угля и угольного вещества, показал, что эти величины являются запредельными для современного технологического оборудования. Однако сама природная система «уголь-метан» находится на глубинах с огромными запасами геоэнергии.

Теоретические исследования показывают, что процесс инициирования самоподдерживающего разрушения угля может быть реализован при нагнетании рабочего агента в пласт в режиме фильтрации с последующим резким сбросом давления, с целью управления энергетической связи массива.

Сброс давления с максимальной величины (давления нагнетания рабочего агента) до минимальной (в идеальном случае - до атмосферного давления) должен осуществляться с максимально возможной скоростью, что приводит к разрушению и выбросу угля и газа из зоны предварительного разрушения с захватом некоторой прилегающей по простиранию зоны слоя (рисунок 4). Режим силового воздействия и режим выдачи разрушеннной массы в процессе создания щелевой полости повторяется многократно. Созданная таким образом протяженная щелевидная полость формируется вокруг себя в угольном пласте зону высокой трещиноватости и газопроницаемости, разгруженную от горного давления, в которой открытые трещины, за счет разгрузки их от горного давления, обеспечивают резкий рост газопроницаемости угля, а частично разрушенный уголь за счет возникновения новых поверхностей дегазации увеличивает скорость выделения десорбирующегося из угля газа. Следует отметить, что зона пониженных (снятых) напряжений развивается во времени. Основным условием возникновения лавинного самоподдерживающегося разрушения угля и газа за счет изменения характера напряженного состояния краевой части пласта. Задача заключается в определении комплексного критерия лавинного самоподдерживающегося разрушения угля при совместном действии внешних упругих сил и управлением сорбированных элементов и массивов.

Обоснование величин давлении нагнетания и сброса рабочего агента, необходимых для получения предварительного дробления (зоны трещиноватости) и лавинного разрушения угля при совместном действии давления газа и горного давления, получено экспериментально, на основе физического моделирования и проверки его в натуральных условиях.

Созданный при гидрорасчленении пласта техногенный коллектор характеризуется явно выраженной блочно-трещиноватой структурой. Размер блока является одним из важнейших показателей, определяющих величину и динамику газовыделения из скважин. Геометрия раскрываемой системы трещин определяется, прежде всего, свойствами среды и взаимодействием между прорастающими трещинами. Известно, что при расстоянии между трещинами, большем двух диаметров, взаимное влияние выражено мало, однако, когда трещины расположены ближе, их взаимное влияние может оказаться определяющим. Когда трещины расположены параллельно друг другу, развитие затруднено по сравнению с изолированными трещинами, причем тем больше, чем ближе расположены трещины. Это говорит о том, что длительное развитие параллельных трещин на близком расстоянии друг от друга маловероятно. Напротив, в направлении, близком к линии, соединяющей центры трещин, их развитие облегчено. При попадании вершины одной трещины в зону влияния другой они будут стараться слиться. При расположении трещин под углом до 300 условия прорастаяния несколько ухудшены. Эти закономерности могут быть использованы для управления процессом равномерного прорастания трещин от поверхностных скважин, с учетом геологических и горнотехнических факторов, влияющих на анизотропию пласта. Если геологические факторы заданы изначально, то горнотехнические, такие как наличие зон опорного горного давления, разгрузки и другие, связаны с наличием подземных горных выработок и соседних скважин.

Список использованных источников

Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР. - М: Недра, т. 5. Угольные бассейны и месторождения Казахстана, книга 1. Бассейны и месторождения палеозойского возраста, 1973. - 720с.

Газообильность каменноугольных шахт СССР /Под. ред. Г.Д. Лидина - М.: Наука, 1999, - 216 с.

Эттингер И.Л., Лидин Г.Д. Влияние влажности на сорбцию метана каменными углями. - Изв. АН СССР. Отд. техн. наук, 1950, № 8, С. 1198-1203.

Эттингер И.Л., Шпильман Н.В., Распределение метана в порах ископаемых углей. - М.: Наука, 1975, - 112с.

Размещено на Allbest.ru