CC BY
28
СЕМИНАР 5
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
44 © Л.А. Пучков, С.В. СластуновТ4 С.К. Баймухаметов, 2001
УДК 622.411.33:622.014.2:658.589 4
Л.А. Пучков, С.В. Сластунов,
С.К. Баймухаметов
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ УГЛЕНОСНОЙ ТОЛЩИ НА ПОЛЯХ ДЕЙСТВУЮЩИХ ШАХТ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ
Д
анная статья написана по результатам доклада, сделанного на семинаре «Проблемы угольного метана» научного симпозиума «Неделя Г орняка -2001». Аналогичные доклады были сделаны на всех пяти предыдущих семинарах, поэтому здесь не хотелось бы повторять наши общие принципиальные подходы к решению всего комплекса проблем угольного метана, особенно повторяться с расстановкой приоритетов.
Приводимые в статье исследования проводились в рамках выполнения проекта Миннауки РФ «Новые технологии извлечения и использования метана из угленосной толщи на полях действующих шахт для повышения безопасности горных работ» и НИР «Разработать и внедрить эффективную технологию заблаговременной дегазации на шахтах Карагандинского бассейна» (заказчик
- угольный департамент ОАО «ИСПАТ-КАРМЕТ»).
Цель настоящей публикации - поделиться некоторыми соображениями, более четко сформировавшимися к настоящему времени по обозначенной в названии статьи тематике, а также дать информацию о том новом в технологическом плане, что было сделано за истекший год. При этом в рамках статьи тематика ограничивается лишь рассмотрением одного из аспектов указанной проблемы - заблаговременной дегазациии шахтных полей через скважины с поверхности.
В указанном аспекте речь всегда велась об извлечении угольного метана для обеспечения
безопасности последующей угледобычи, и здесь произошла стыковка двух целей:
• извлечение, следовательно, возможная добыча метана;
• заблаговременная дегазационная подготовка угольного пласта.
Пути совершенствования любой технологии зависят от выбора основной цели, которую предполагается достигнуть.
Она однозначно выбрана -это заблаговременная дегазационная подготовка шахтного поля к безопасной и эффективной разработке.
Необходимо отметить, что шахтные поля при таком подходе не выбираются - это те шахтные поля, где намечена угледобыча. Вернее, каков бы объект не был, в каком бы напряженном состоянии не находился пласт, какую бы проницаемость он не имел - его надо подготовить к безопасной и эффективной отработке.
На ряде шахтных полей возможности интенсивного извлечения метана крайне ограничены. Таких полей за 40 лет существования технологии заблаговременной дегазации было немало. Для условий неразгруженных угольных пластов - это скорее правило, чем исключение.
С нашей точки зрения, ошибочен тезис о том, что в любых условиях хорошая технология обеспечит высокий уровень интенсивности извлечения метана.
Угольный пласт - объект с огромным диапазоном свойств и этот объект находится в различных состояниях (это не только разгрузка, связанная с ведением горных работ, но и зональность напряженного состояния, чем занимается такое научное направление, как геодинамика недр и ряд других факторов).
Эффективность заблаговременной дегазации зависит от многих факторов, в том числе и от эффективности извлечения метана из пласта.
Остановимся только на тех из них, которые связаны с инженерными воздействиями, на высокогазоносный угольный пласт через скважины с поверхности.
Эффективность заблаговременной дегазации зависит от:
• качественного и равномерного раскрытия трещин на экономически обоснованном расстоянии от скважины;
• объема рабочей жидкости и времени ее выдержки в пласте;
• эффективности извлечения метана из пласта.
Эффективность заблаговременной дегазации далеко не всегда коррелирует с эффективностью извлечения метана. Самый близкий пример - последние работы по оценке эффективности ЗД на поле шахты им. Ленина, которые проводились в 2000 г. и продолжаются в
настоящее время, так как там ведутся горные работы в зонах 14-скважин заблаговременной дегазационной подготовки, осуществленной по технологии МГГУ (рис. 1).
Например, из скв. № 5 извлечено 250 тыс. м3 метана (т.е. всего 0,76 м3/т), при этом снижение газообильности в ее зоне составляет 80 %.
Из скв. № 12 извлечено 2 млн м3 метана (или 6 м3/т), при этом эффективность по снижению газообильности в этой зоне в два раза меньше - 42 %. И это при всех прочих равных условиях. Причем это не единичный пример только на данном объекте испытаний.
Вывод: эффективность заблаговременной дегазации может достигаться только за счет первых двух факторов, т.е. без извлечения метана из угольного пласта.
И этот вывод подтверждается всем многолетним опытом работ в Донецком и Карагандинском угольных бассейнах.
Несколько примеров:
Достаточно давние работы на поле шахты им. Костенко, скв. № 1-7:
• газовыделение с 1 м лавы неувлажненного участка в 1,5 раза выше, чем увлажненного;
• остаточная газоносность увлажненного угля - 5,46 м3/т, неувлажненного - 2,12, т.е. в 2,5 раза выше [1].
На других шахтах Карагандинского бассейна многочисленные исследования показали, что остаточная газоносность увлажненного участка на 3,5-4,8 м3/т выше.
В Донбассе известные и опубликованные исследования эффективности снижения газообиль-ности горных выработок в зонах скважин ГРП, из которых не извлекался газ (зоны скважин, из которых производилась обработка угольных пластов в режиме фильтрации или ГРП проводилось без удаления рабочей жидкости из пласта) (табл. 1) показали следующее снижение газообильности лав [1]:
• шахта им. В.Р. Менжинского (пласт 14) -70-75 %;
• шахта «Селезневская-Восточная» (пласт Кз) - 78-90 %;
• шахта «Перевальская (пласт К3в) - 30-80 %;
• шахта № 29 (пласт h7) - 40-46 %;
Таблица 1
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕГАЗАЦИИ БЕЗ ОСВОЕНИЯ СКВАЖИН ГРП
Пласт № скв. Глубина, м Мощность пласта, м Темп нагнетания, л/с Давление на забое скв., кг/см2 Общий объем Эффективность дегазации, %
средн. мак. мак. установ. закачки, м3 участка лавы
І4 270 719 1,35 Шахта им. В.Р. Менжинского 34 35 209 - 332 70-75
І6 660 0,8 33 35 256 - 413 26-46 24-60
1в” 604 0,75 33 58 260 - 168 58 60
К3 271 0,85 Шахта «Селезневская-Восточная» 60,3 68,5 - 74 2247 - 78-90
Кв3 295 0,85 Шахта «Перевальская» 40,4 35,5 - 101,0 1077 - 30-80
Ь7 554 924 1,5 Шахта № 29 ш/у № 19 29,2 34 280 210 943 34 40
555 912 1,3 25,3 37 285 245 808 29 46
§2” 632 370 1,2 31,5 Шахта «Коммунист» 43,6 187 175 351 20,1 33
633 385 1,2 25,5 39 200 180 820 22,6 54,3
• шахта «Коммунист» (пласт §2 ) - 33-55 %.
Аналогично, по Карагандинскому бассейну данные о газоносности увлажненного и неув-лажненного угля (пласт кі2, шахта им. Костенко) приведены в табл. 2.
Возникает закономерный вопрос: за счет чего же достигается эффективность заблаговременной дегазации в этих условиях. Ответы на этот вопрос имеются, причем необходимо подчеркнуть, что авторы настоящей статьи не претендуют на их научную новизну [2].
Первый существенный фактор - угольный пласт содержит большое количество мельчайших пор и трещин, в которых реализуется процесс увлажнения угольного пласта за счет сил самодвижения. В частности, происходит капиллярное увлажнение пласта. При наличии необходимого времени в пласте осуществляется проникновение рабочей жидкости в эти мельчайшие поры и трещины и блокирование в них молекул метана, что приводит к существенному увеличению остаточной газоносности. А это крайне важный фактор, так как, как это было показано выше, до 5 м3/т остаются в угле и не вносят свой вклад в газо-обильность горных выработок.
Таблица 2
ГАЗОНОСНОСТЬ УВЛАЖНЕННОГО И НЕУВЛАЖНЕННОГО УГЛЯ ПЛАСТА к10
Объем извлечен- Объем извлечен- Масса Остаточная газоносность,
ного газа, м3 ного метана, м3 угля, кг м3/т
1,25 1,060 0,15 6,7 Пробы угля с
1,30 1,080 0,16 6,8 увлажненного уча-
1,10 0,940 0,17 5,4 стка пласта
1,30 1,040 0,15 6,7 5,46
0,44 0,350 0,13 2,8
0,80 0,677 0,15 4,6
0,95 0,790 0,13 6,0
0,90 0,714 0,14 4,7
0,70 0,670 0,3 2,2 Пробы угля с
0,80 0,768 0,28 2,7 неувлажненного
0,40 0,334 0,3 1,1 участка пласта
0,80 0,740 0,3 2,5 2,12
Снижение относительного газовыделения 5,46- 2,12 = 3,34 м3/т
Второй существенный фактор - замещение водой как более сильным сорбентом в сорбционном объеме метана и оттеснение его за зону обработки. При освоении скважин этот оттесненный газ будет удален из пласта в течение 5-8 лет эксплуатации скважин путем извлечения его по освобожденным от воды трещинам. При этом он не будет сорбироваться на стенках трещин, так как сорбционная емкость угля уже занята водой.
Третий фактор может реализоваться в случае применения комплексной дегазации за счет увеличения дебитов пластовых скважин в зонах ГРП, где раскрыты дополнительные системы трещин, уже освобожденные от воды и увеличивающие фазовую проницаемость пласта для метана (эта технология широко применяется в Караганде).
Четвертый возможный фактор - дополнительное использование скважин ГРП в качестве ку-половых, при этом они по эффективности не уступают последним (технология широко применяется в Донбассе и начала применяться в КараыйврюСоопасность угольного пласта в зоне заблаговременной дегазационной подготовки с использованием пневмогидродинамических воздействий, в частности гидрорасчленения угольного пласта, проведенного без освоения и извлечения метана, также существенно снижается за счет того, что длительное увлажнение снижает объемную прочность и увеличивает пластические свойства пласта, что в свою очередь ведет к снижению общего количества накапливаемой упругой энергии, реализуемой при выбросе. Происходит
также смещение максимума опорного давления в глубь массива от 1 до 3 м (шахта «Коммунист» - на 2-3 м на расстоянии 30-60 м от скважины, на 1-1,5 м на расстоянии 90-120 м от скважины), что также снижает вероятность развязывания выброса [3].
Таким образом, стремиться извлечь больше метана из угольного пласта надо, но это во многих случаях не самоцель.
В каждом конкретном случае следует определять цель главную и вспомогательную, а с учетом этого корректировать и совершенствовать технологию.
Если основная цель - заблаговремен-ная дегазация, то технология должна предусматривать достижение максимально возможной равномерности обработки, в пласт необходимо закачивать большие объемы рабочей жидкости (для условий мощных пластов Карагандинского бассейна, например, это не менее 4-5 тыс. м3), выдерживать воду в пласте не менее 9-12 месяцев и пневмовоздействие применять только как средство интенсификации газовыделения, а не как обязательную стадию работ и ряд других моментов.
Если основная цель - добыча метана, то это в первую очередь поиск «сладких точек» или газовых ловушек (пример таких ловушек - места крупных внезапных выбросов угля и газа, где имеется значительное несоответствие выброшенного угля и газа в сторону количества газа при известной газоносности массива), а также поиск перспективных районов на углегазовых месторождениях, например, с использованием геодинамики недр, исследования
напряженного состояния областей массива, детального изучения геологии, нарушенности угольных пластов и т.п., во вторую очередь необходимость обеспечивать максимальные дебиты за счет соответствующей технологии с применением кавернообразования, реализации режимов кавитации, знакопеременные воздействия и др. Воды в большинстве случаев в принципе не надо, так как главная задача - сбиться с системой газонасыщенных каверн.
Такая технология извлечения газа из углегазового массива может удовлетворять целям добычи метана, но значительно в меньшей степени целям заблаговременной дегазационной подготовки, так как при этом может остаться необработанной и неув-лажненной значительная часть массива.
Эффективность работы жидкости по замещению метана в сорбционном объеме можно наблюдать на рис. 2, где наглядно показано, что скважины, закрытые для реализации работы жидкости в угольном пласте по замещению метана в сорбционном объеме, в течение первого месяца после их открытия набирают свой максимальный дебит, в то время как скважины, вступающие в эксплуатацию сразу же после обработки, набирают свой максимальный дебит лишь через 2-3 года после начала освоения [4].
Все вышесказанное не означает того, что в плане заблаговременной дегазации все проблемы решены, безопасность можно всегда обеспечить увлажнением и извлечение метана не представляет решающего интереса. Необходимо было лишь правильно расставить акценты и более четко уяснить ситуацию с собственно извлечением метана из угольного пласта и вкладом этого фактора в эффективность заблаговременной дегазации. При этом и в случае заблаговременной дегазации необходимо вести постоянный поиск новых эффективных технологий, направленных на улучшение качества обработки, ее равномерности, а также на интенсификацию газовы-деления из скважин и доведение его до максимально возможного уровня в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.
В последний период мы работали над совершенствованием техноРис. 2. Динамика газовыделения в зависимости от времени выдержки
логии в рассмотренных выше направлениях. Были разработаны, исследованы в лабораторных и частично натурных условиях следующие новые технологические схемы:
• Реализация режима кавитации с использованием геоэнергии угольного пласта [5, 6]. Сущность способа заключается в том, что массив пригружается и разгружается в определенном режиме, позволяющем до реализации режима гидрорасчленения инициировать реакцию массива, ведущую к образованию системы каверн. Возможны два варианта реализации способа. Их сущность проиллюстрирована на рис. 3. В 2000 г. способ прошел первые поисковые испытания на двух скважинах поля шахты им. Ленина, исследования эффективности в настоящее время продолжаются. Программой работ 2001 г. предусмотрены более широкие испытания этого способа на двух скважинах шахтного поля «Казахстанская».
• Г идровоздействие вспенивающимися жидкостями [6]. Сущность способа заключается в подаче в пласт по соответствующей технологии выбранных солей и кислот с обеспечением термодинамических условий, способствующих бурному выделению углекислого газа. Повышение качества гидрообработки достигается за счет:
- повышения объема рабочего агента и давления в системе уголь - рабочий агент и, тем самым, увеличения размеров зоны обработки;
- снижения вязкости рабочего агента и, следовательно, увеличения проникающей способности, что приводит к повышению равномерности обработки массива;
- замещения части метана в сорбционном объеме углекислым газом и интенсификации выноса рабочего агента на поверхность за счет «пузырькового эффекта» после открытия скважины и начала освоения.
В 2000 г. успешно проведены лабораторные исследования, проектные работы. Натурные испытания в плане 2000 г.
• Каскадная обработка пласта с использованием компрессорно-вакуумного эффекта при гидросбойках скважин ГРП. Сущность способа заключается в одновременной обработке массива из соседних скважин с целью организации сбоек между ними. Возможность получения сбоек наглядно показана на рис. 4 (поле шахты «Сокурская»). После получения сбоек ведется извлечение метана с использованием компрессора и вакуум-насосной станции. Разработчики технологии - творческий коллектив Управления «Спецшахто-монтаждегазация» (Швец И.А., Горбунов С.М., Муллагалиев Ф.А. при участии МГГУ). Работы начаты в 2000 г. на скв. № 16, 18, 19, 20 поля шахты им. Ленина (рис. 5).
• Виброакустическое воздействие (Разработчики - Васючков Ю.Ф., Павленко М.В. и творческий коллектив экспедиции «Печоругле-разведка» ОАО «Воркутауголь» под руководством Агаркова А.В.). Проведены лабораторные экспериментальные исследования ряда процессов. Разработана техническая документация. В
2000 г. на поле шахты «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» собран и прошел первые оценочные испытания скважинный вибратор. Выявлены конструктивные особенности, намечены пути совершенствования технологии. Поисковый эксперимент намечен на 2001 г., где будут определены перспективы технологии.
Там же, на шахте «Комсомольская», в 2000 г. были завершены скважинные газогидродинамические исследования гидроимпульсного воздействия на пласты «Тройной» и «Четвертый» с использованием пороховых генераторов давления ПГД.БК. В результате проведенных работ были получены следующие научные результаты.
Увеличена проницаемость призабойной зоны пластов в зоне скв. № 4419 до 400 дарси (465,5 и 567,9 соответственно для 1 и 2-го испытаний). Указанная проницаемость значительно превышает (на 2-3 порядка) проницаемость высокопродуктивных коллекторов для нефти и на 5-6 порядков выше, чем она была у естественного угольного массива до его гидроимпульсной обработки. В ходе дальнейших исследований будут уточняться размеры призабойной зоны. По опыту аналогичных работ на поле шахты «Коммунист» размеры зоны не превышают 30 м, что требует дополнительной обработки свиты пластов.
В стадии рассмотрения находится вопрос о применении технологии гидроимпульсного воздействия на шахте «Казахстанская» в Карагандинском угольном бассейне.
Рис. 3. Механизм реализации режима кавитации с использованием геоэнергии
1. Управление свойствами и состоянием угольных пластов с целью борьбы с основными опасностями в шахтах / В.В. Ржевский, Б.Ф. Братченко, А.С. Бурчаков, Н.В. Ножкин -М.: Недра, 1984.-327 с.
2. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. -М.: Недра, 1979.
3. Щербинин В.Н. Исследование влияния гидрорасчленения и микробиологического воздействия на состояние угольной толщи в целях совершенствования борьбы с внезапными выбросами угля и газа. Дисс. канд. техн.. наук. -М.: МГИ, 1976.
4. Ножкин Н.В., Сластунов С.В. Заблаговременная подготовка к безопасной разработке шахтных по-
Рис. 5. Схема использования компрессорно-вакуумного эффекта при гидросбойках скважин ГРП
В 2000 г. реализован проект гидрообработки вскрытой свиты пластов на поле шахты «Ком-сомольс-кая» в режиме фильтрации. Необходимо отметить, что в данном случае не представлялось возможным провести раскрытие новых трещин и реализовать процесс гидрорасчленения из-за отсутствия мощных водяных насосов. Реализованная технология направлена на снижение выбросоопас-ности толщи и снижение газо-обильности горных выработок в процессе ведения горных работ за счет замещения и оттеснения метана и блокирования его в мельчайших порах и трещинах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУ РЫ
лей//Безопасность труда в промышленности. -№ 4. -1990.
5. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Фейт Г.Н. Способ дегазации угольного пласта. Патент РФ № 2159333.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =
/----------------------------------------------------------------------7
Пучков Лев Александрович - чл.-корр. РАН, профессор, доктор технических наук, ректор Московского государственного горного университета.
Сластунов Сергей Викторович - профессор, доктор технических наук, проректор по научной работе Московского государственного горного университета.
Баймухаметов С.К. - профессор, доктор технических наук, УД ОАО «ИСПАТ-КАРМЕТ».
^_____'________________________________________________________________^
Рис. 4. Схема гидросбоек скважин ГРП на поле шахты «Сокурская» в 1986-87 гг. 8
9
