CC BY
46
\я°1
:! :! :! :! СЕМИНАР' 3.......................і! і! і! і!
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА
99»::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
МОСКВА, М ГГУ, ,25.01.99 - 29.01.99 ..........
©1 А: ■ Н: Шабаров; Е.В: Гончаров О.М Антонов, С.М. Иощенко,
2000
УДК 622.411.33
А. Н. Шабаров, Е.В. Гончаров, О.М Антонов,
С.М. Иощенко
МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОДУКТИВНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ НА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ И РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ДОБЫЧИ МЕТАНА
Несмотря на активный научнотехнический интерес к проблеме извлечения метана и прежде всего к извлечению его из газоносных пластов вне влияния горных работ, успехов, сопоставимых с затратами не много. Именно их отсутствие и заставило применять и предлагать технологические схемы, где извлечение метана рассматривается как элемент технологического комплекса и применяется в сочетании либо с традиционными шахтными средствами добычи [1], либо в комплексе с подземной газификацией угля (ПГУ) [2, 3]. С другой стороны пришлось очередной раз проанализировать методы прогнозирования мест заложения добывающих скважин, а также технологии их освоения и пуска в эксплуатацию. В статье Л.А. Пучкова [4] содержащей американский опыт извлечения метана из угольных пластов приведены четыре критерия выявления областей перспективных для извлечения метана.
При прогнозировании аналогичных участков на угольных пластах в российских угольных бассейнах [5] предлагается двенадцать критериев из которых лишь один можно считать пригодным для оценки коллекторных свойств. Это «геодина-мическое состояние пластов» Остальные оценивают перспективы газоносности либо при скважинных испытаниях либо при испытаниях полученных из скважин образцов (в том числе и [6], то есть локальные свойства угольного пласта, которые не имеют опреде-
ляющее значение. По сравнительным характеристикам углепромысловых показателей бассейна Сан-Хуан (США) и Кузбасса возможно предлагать большое число участков Кузнецких пластов с эффективностью добычи метана не ниже упомянутого американского бассейна [6]. Однако на практике нет оснований судить о высоком стабильном по времени дебете какой-то группы скважин пробуренных в Кузбассе. Данное обстоятельство подтверждает актуальность поиска не просто участков пластов с высокой масштабностью ресурсов метана, но продуктивных коллекторов с высоко развитой сетью связанных между собой дренирующих каналов (систем трещин). В условиях России в ближайшие годы маловероятно бурение скважин в объемах США для добычи метана. Поэтому так велика ценность прогноза места закладки подобных скважин. Сложность проведения подобного прогноза обусловлена относительно редкой сетью геологоразведочных сква-жин (обычно 250 м). Следовательно, для осуществления упомянутого прогноза необходимо привлекать иные информативные признаки отражающие ход геодинамических процессов и геотектонических движений, формирующих коллектор. Эта сложная задача требует системного подхода. В работах [7, 8], обосновывалось применение морфометрических методов. В частности представлен метод картирования областей высокой газоотдачи газоносных уголь-
ных пластов в местах их «перегиба», «растяжений», образуемых в ходе геотектонических движений. Однако при более подробном анализе условий Печорского, Кузнецкого, Карагандинского бассейнов для обоснования геоморфологических и геологоструктурных признаков картирования областей вероятной газоотдачи пришлось привлекать дополнительные признаки. Это оказалось возможным благодаря применению современных способов обработки цифровых моделей поверхностей топографического ряда (горизон-тали, изопахиты), что позволяет провести комплексный морфоструктурный анализ, включающий в себя следующие взаимосвязанные элементы:
1) морфометрическая обработка цифровых моделей рельефа исходных масштабов 1:5000-1:100000, с целью выявления градиентных зон, обусловленных новейшими тектоническими движениями;
2) линеаментный анализ данных дистанционного зондирования - космических и аэрофотоснимков, в т.ч. и в автоматизированном режиме. Наибольший интерес представляют узлы пересечений линеаментов.
Анализ погребенного рельефа, под которым подразумевается перекрытая нелитифицированными (рыхлыми) осадками поверхность коренных пород. Особое внимание уделяется линейным элементам палеорельефа и их соотношению с современными ли-неаментами земной поверхности, на основании чего делается вывод о наличии или отсутствии унаследованно-сти тектонических движений, а следовательно подновлении ими коль зон трещиноватости.
Выявление областей локальных концентраций напряжений, приуроченных к «утол-щениям» и выклиниваниям жестких пород (стсж > 50 МПА). При этом вычисляются максимумы первой и второй производной их мощностей. Этот этап обычно бывает трудно выполнить из-за недостаточного числа геологоразведочных скважин вскрывающих угленосную толщу и налегающие породы. анализ изменения мощности собственного газоносного пласта.
Опыт применения представленной методики позволил сформировать следующие признаки наличия вероятных
коллекторов метана. Прежде всего, это границы активных геодинамических блоков. При этом, в соответствии с методикой геодинамического районирования, блоки выделяются как участки с однородным геологическим строением с разницей высот h > > 0,1 (Нпих-Нпт), где Нтгк и Нтп - максимальные и минимальные высоты рельефа земной поверхности соответственно без учета вреза речных долин. присутствие коллекторов являются зоны растяжения угленосной толщи пород приуроченные к границам блоков. При этом признаки растяжения следующие:
• границы блоков определяют по элементам рельефа и палеорельефа, характеризующим разные скорости движений соседних блоков;
• границы активных движущихся блоков сверяют с наличием и расположением прямолинейных или спрямленных элементов земной поверхности-лениаментов;
• наибольшая вероятность обнаружения перспективных на извлечение метана - области залегания пород фундамента и рельефа земной поверхности при том что, областям поднятия пород фундамента соответствует понижение рельефа поверхности. Упомянутое согласие или несогласие в залегании пород фундамента и рельефа поверхности возможно установить либо геоморфологическими либо геофизическими методами;
• перспективные на извлечение метана области толщи находятся как правило у тектонических нарушений типа «сброс».
Однако необходимо отметить, что данные методы позволяют выделить лишь области угольных пластов - коллекторов метана с относительно более высокой газопроницаемостью. Вместе с тем на угольных пластах бассейнов СНГ высокогазопроницаемыми областями пластов считаются области с газопроницаемостью 2-3-10'3 МД, что на порядок ниже газопрницаемости на участках добычи в США.
Однако по газоносности угольных запасам и наличием упомянутых признаков коллекторных свойств в России немало участков перспективных для промышленной добычи метана в стабильных дебитом 1-3 м3/мин на скважину. Эти перспективы могут стать реальными при правильном выборе технологии заканчивания, освоения и пуска
скважин и соответствующих способов метанопотоков. Прежде всего перспективными являются области Соколовского месторождения Ерунаковского района, месторождения отнесенные к АО «Южкузбассуголь» - Новоказанское, Кушинское, Талдинское и некоторые другие. Перспективен и Прокопьевско-Киселевский район, особенно при комплексном решении вопроса возрождения ПГУ на Южно-Абинской станции с извлечением метана из негазифицируе-мых пластов при совместной его утилизации с горючими газовыми ПГУ. Кроме того перспективны запасы АО «Бе-ловоуголь» и некоторые другие районы Кузнецкого бассейна. Успех промышленного извлечения метана , даже при удачном обнаружении газовых коллекторов на угольных коллекторах все же зависит, как уже говорилось, от технологических приемов его извлечения.
Наиболее широко и последовательно технологии извлечения метана опробовались на шахтах Карагандинского бассейна [10]. Поскольку стабильных метановых дебитов достичь не удалось, мероприятия по извлечению метана явились элементом традиционной шахтной добычи, позволяя безопасно, с высокими темпами и нагрузкой готовить и отрабатывать угольные запасы.
Однако разнообразие применяемых способов позволило сделать предварительные выводы о наиболее перспективном направлении дальнейшего усовершенствования технологий извлечения метана.
Обращает внимание относительно успешное внедрение пневмотеплового воздействия в поле шахты «Сокур-ская» (скв. № 99) [10], когда после закачки воздуха, удалось снять 500 тыс.м3 метана. Положительные результаты получены на скв. № 11 в поле шахты им. В.И. Ленина (УД АО Испат-Кармет) [10]. Очень показателен опыт освоения скважины № 15 в поле упомянутой шахты им. В.И. Ленина, когда после неудачных попыток гидро и пневмогидровоздействия в скважину было закачено 167 тыс.м3 воздуха, что позволило обеспечить в последствии стабильный съем метана в течении длительного периода (месяца) с средним дебитом 1,4-1,5 м3/мин. Указанные факты являются косвенным подтверждением процесса десорбции развивающегося в ходе по-
вышения температуры при окислительной реакции углерода угля с кислородом воздуха. О повышении температуры как основном факторе обеспечивающем перевод в свободное состояние абсорбированного и адсорбированного метана возможно судить также по таким фактам как аккумулирование метана в выработанном пространстве запожаренных лав. Так замеры КазНИИБГП и ИПКОН РАН Казахстана на запожаренном участке лавы 42Кю-3 шахты «Актасская» УД АО Испат-Кармет показывают, что выработанное пространство в плотном углевмещающем метанообильном массиве пород может служить коллектором метана с содержанием его до
82,5 %. Наличие метана и водорода (от 2 % до 40 %) в горючей газовой смеси при подземной газификации бурых или каменных не газовых неглубоко залегающих углей так же указывает, что при нагревании даже разгазированных угольных залежей возможно выделение метана и иных газов из химически связанного или клатратного состояния [11, 17]. Эмпирически зависимость сорбционной метаноемкости от температуры описана Г.Д. Лидиным. Снижение содержания адсорбированного метана в угле при нагреве теоретически исследовано д.т.н. Цирелем С.В. Как следует из графиков 1 и 2 даже небольшое локальное (5-7 оС) повышение температуры приводит к десорбции (кривая обратная «сорбции метана» в графике 1) на 15-18 %.
Л®1
Особенно этот процесс эффективен при длительном прогреве, (график 2). Однако, необходимо иметь ввиду, что если не принимать во внимание окислительных процессов прогрев массива теплоносителем (разогретой водой, газом, химическими реагентами не окисляющего свойства) является очень медленным процессом. Поэтому с 1990 года ВНИМИ ведет исследования по разработке технологий прогрева на основе инициирования окислительных реакций углерода угля и кислорода доставляемого либо в газообразном состоянии (с воздухом) либо в виде кислородсодержащих растворов или реагентов, например пересыщенного раствора селитр [11, 12]. При этом, эффект достигается не только за счет окисления части угля соответствующей объему доставленного так или иначе кислорода, но и за счет того, что процесс «искусственного» окисления инициирует начало аутоокисления угля, которое также является причиной его самонагревания [13]. Уголь в процессе аутокисления представляет собой многокомпонентную окислитель-но-восста-новительную систему. Процесс окисления угля сочетает ряд параллельно и последовательно протекающих реакций. Зарождение очага самонагревания возникает при реакциях, реализующих вырожденный радикальноцепной механизм. Все иные реакции (химические, электрохимические, биохимические, термодинамические и т.п.) и внешние воздействия подготавливают, инициируют этот процесс. Низкотемпературное окисление угля представляет совокупность реакций, приоритетность и направление которых непредсказуемы и определяются составом и структурой угля, доступом кислорода к реагирующим поверхностям, внешним условиям протекания процесса (температурой, давлением, малых добавок инициаторов, в том числе N02 образуемая при разложении аммиачной селитры [12]. Возможность реализации низкотемпературного окисления по различным схемам определяет разнообразие физико-хими-ческих проявлений нагревания и, как следствие перехода метана из связанного состояния в свободное. Этот факт, по мнению авторов, чрезвычайно важен как для разработки мероприятий по инициированию мета-
нопритоков в дегазационные скважины, так и при исследовании механизма внезапных выбросов угля, породы и газа, прогноза и разработки мероприятий по предотвращению этого явления. Анализ причин проис шедшего внезапного выброса на шахте им. А.И. Ленина 23.03.98 года заставляет с вниманием отнестись к фактору выделения свободного метана при повышении температуры в ходе аутоокисления, инициированного давлением (ЗПГД), взрывными работами (развитие трещин и поступление небольшого объема воздуха) и иными предпосылками, которые определили огромное (около
1,5 млн. м3 ) выделение метана.
Исходя из вышесказанного, авторы считают наиболее перспективным направлением развития технологии извлечения метана из угля способами
основанными на окислительном воздействии на угольное вещество с применением газообразных или жидких (кристалли-зующихся) кислородосодержащих реагентов.
Интересным может представиться воздействие вибрации с частотой близкой резонансной для пласта 10-30 ГЦ. Однако, здесь весьма противоречивый характер процесса не позволяет в настоящее время однозначно судить о его эффективности. С одной стороны колебания приводят к расширению и развитию трещин в растягивающей фазе колебаний, с другой стороны вибрация приводит к превращению ламинарного течения в турбулентное, что повышает эффективную вязкость и замедляет его.
Во ВНИМИ разработан двухмодульный блок для теплового и виб-
рационного воздействия на угольный пласт. Его испытание предполагается
в 1999 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сластунов С.В., Коликов К.С., Презент ГМ., Швец И.А., Горбунов С.М., Мухлата ФА. Заблаговременная дегазация шахтных полей Карагандинского бассейна с использованием активных воздействий с поверхности. Горный информационноаналитический бюллетень. Вып. 6, МГГУ, 1997 г. стр. 38-43.
2. Гончаров Е.В., Шабаров А.Н. Экологический аспект подземной газификации угля.
3. Яковлев Д.В., Золотых С.С., Баймухаметов С.К., Шабаров А.Н., Гончаров Е.В. Перспективы добычи рациональной утилизации горючих газов и геодинамические методы прогноза коллекторских и фильтрационных свойств угольных толщ. Ст. «Проблемы геодинамической безопасности», II Международное рабочее совещание, 24-27 июня 1997 г. ВНИМИ, С-Петербург, стр. 136-143.
4. Пучков Л.А. Реальность промысловой добычи метана из неразгруженных угольных пластов. Уголь № 3 1997, стр 50-53.
5. Зимаков Б.Н., Матвиенко Н.Г., Гурьянов В.В., Козловский Е.А., и др., Научно-методический подход к прогнозированию перспектив промысловой добычи метана угольных месторождений, «Горный информационно-аналитический бюллетень», № 6, 1997 МГГУ, стр. 32-37
6. Ковалева И.Б., Соловьева Е.А. О возможности использования диффузионно-кинетических параметров угля для тестирования различных по газовому темпераменту угольных пластов, «Горный информационно-аналитический бюллетень», №6, 1997, МГГУ, стр. 60-64.
7. Гончаров Е.В., Иванников Н.Д., Гончарова Л.А. Прогнозирование местонахождения участков угольных
пластов пригодных для промышленного каптирования метана «Физические процессы горного производства», Межвузовский сборник научных трудов. Вып 247 С-Петербург, 1995 г. СПГГИ(ТУ) им Г. В. Плеханова, стр. 100-104.
8. Гончаров Е.В., Гусева Н.В., Иванников Н.Д. Перспективы применения методов морфоструктурного анализа для определения зон высокой газоотдачи, ТИАБ, Вып. 6, МГГУ, 1997 г. стр. 90-95.
9. Гончаров Е.В., Антонов ОМ. Анализ цифровых поверхностей топографического ряда для прогноза газодинамической опасности и примеры его внедрения. С-Петербург-Ладога-Онега, 1998. Тезисы 3 Международной конференции «Экология и развитие Северо-Запада России».
10. Презент ГМ. Повышение технической безопасности горных работ на основе региональных методов управления геомеха-ническими и газодинамическими процессами в угольных шахтах. М, 1998 СПГГУ, Автореферат диссертации на соискание степени д.т.н.
11. Патент РФ № 1750291, К Е21 В 43/25. Способ повышения продуктивности нефтяной скважины. Авторы Гончаров Е.В., Гончарова Л.А., Соловьев В.Б., Смирнова Н.Н. приор. 22.05.90 г.
12. Патент РФ № 1686885 приор. 31.01.90 и патент Республики Казах стан № 4484. Способ подземной переработки угольного вещества. Авторы Гончаров Е.В., Соловьева В.Б., Смирнов И.М., Орлов Г.В., Смирнова Н.Н., Колачик А.К.
13. Захаров Е.И., Панферов И.В., Савинова Л.Н. Природа самонагревания углей. Анализ проблемы. Препринт, Вып. 12, Ростов на Дону, Изд. СКНЦ ВШ, 1994 г.
т
Шабаров А.Н. кандид;и технических наук, ВНИМИ. Гончаров, Е.В., Антонов О.М. инженеры ВНИМИ.
Пощенко С.М. — инженер УД АО «Испат Кармет».
