CC BY
54
© В.Н. Труфанов, В.В. Гурьянов, М.И. Гамов, Н.Г. Матвиенко, В.Г. Рылов, 2002
УДК 622.41.:533.17
В.Н. Труфанов, В.В. Гурьянов, М.И. Гамов,
Н.Г. Матвиенко, В.Г. Рылов
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТНОЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ ПО ИНТЕНСИФИКАЦИИ ГАЗООТДАЧИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА КРАСНОДОНЕЦКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА*
В
сложной и многогранной проблеме угольного метана имеется несколько наиболее важных, ключевых задач, решение которых необходимо при разработке промышленных методов извлечения и использования углеводородных газов угольных месторождений [1-2]. К их числу относятся следующие задачи:
• прогнозирование, обнаружение и визуализация метанообильных зон и участков в пределах углегазовых месторождений, наиболее благоприятных для добычи угольного метана;
• оценка газоотдающей способности угольных пластов, находящихся в разных горно-геологических усло-
виях;
• теоретическое и опытноэкспериментальное обоснование эффективных методов интенсификации газо-отдачи угольных пластов;
• обоснование мест заложения дегазационных скважин и выбор оптимальных технологических схем извлечения метана из угольных пластов с учетом результатов, полученных по первым трем направлениям работ;
• технико-экономическая оценка наиболее рациональных направлений использования угольного метана в промышленных и бытовых целях.
Отмеченные направления исследований и экспериментов были основными при выполнении научноисследовательских и опытно-
экспериментальных работ на Краснодонецком метаноугольном месторождении Восточного Донбасса, которые осуществлялись сотрудниками Гео-техцентра-Юг РГУ в рамках реализации проекта «Углеметан» Государственной подпрограммы «Недра России» совместно с ИПКОН РАН и ВНИГРИ-уголь МПР РФ. В настоящем сообщении приводятся основные результаты работ по направлениям 1-4, полученные по данному проекту в 2001 г. В недрах Восточного Донбасса содержатся значительные ресурсы метана в уголь-ных пластах. Из 319 разведанных или эксплуатируемых участков и шахтных полей, известных на этой территории - 49 могут рассматриваться как углегазовые объекты с потенциальными ресурсами метана порядка 450-500 млрд м3.
Из них наибольшие скопления газа (100-120 млрд м3), связанного с угольными пластами рабочей мощности, находятся в следующих геолого-
промышлен-ных районах Ростовской области [3]: в Каменско-Гундоровском -20456 млн м3; в Сулино-Садкинском -3950 млн м3; в Белокалитвенском- 7500 млн м3; в Тацинском ДАО- 3300 млн м3; в Краснодонецком - 5100 млн м3.
Как показал сравнительный анализ, наиболее перспективным для организации первой очереди опытно-
промышленного полигона по заблаговременному извлечению метана является Краснодонецкий геолого-промышлен-ный район, расположенный в пределах одноименной синклинали. Здесь сосредоточены значительные запасы метана, имеются свободные и подготовленные к выемке участки шахтопластов, находятся в стадии ликвидации газообильные шахты Синегорская № 17 и Краснодонецкая, разрабатывавшие пласт т8 в интервале глубин 350-500 м (рис. 1).
Согласно геологическим данным, максимальная газоносность угольного пласта т8' на достигнутых глубинах эксплуатации составляет 35 м3/т г.м. Фактическая метанообильность горных выработок в 1996-97 гг. находилась в пределах: абсолютная - 43-83 м3/т, относительная - 63-77 м3/т.с.д.
При отработке пласта т81 на шахтах Синегорской № 17 и Краснодонецкой широко применялись противо-выбросные мероприятия, в том числе
сотрясательное взрывание и превентивная дегазация угольных пластов-спутников. За последние 13 лет проведения дегазационных мероприятий среднегодовой дебит метана достиг
6.3 млн м3 /г, при фактической добыче угля 343.7 тыс. т/г.
Оцененных запасов метана в пределах разведанной части Краснодонецкой синклинали будет достаточно для газификации близлежащих шахтерских поселков с общей численностью населения более 10 тыс. чел. на 70-80 лет при ежегодном потреблении порядка 15-20 млн м3, что становится весьма актуальным в связи с закрытием ШУ «Красно-донецкое» - бывшего основного поставщика топлива для местных нужд (табл. 1).
Таблица 1
Первоочередной задачей при организации работ на Краснодонецком полигоне является прогнозирование, обнаружение и визуализация метанообильных зон, наиболее благоприятных для извлечения метана.
Новые данные по этой актуальной задаче получены нами в результате выполнения предыдущего этапа работ по проекту «Краснодонецк-углеметан». Установлено, что на многих углегазовых месторождениях В.Донбасса существуют метанообильные зоны с аномально высокими содержаниями газовых компонентов (зоны углеводородной флюи-дизации), образующиеся в результате природных процессов миграции углеводородных газов по зонам тектони-
ми структурами 2-3 -го порядков. Имея относительно пологие элементы залегания ^= 20-250) и субширотное простирание, флюидоактивные зоны трассируются к поверхности в районе пос. Синегорского, пос. Углекаменного, пос. Шахты № 7, что является, по-видимому, одной из основных причин зараженности токсичными газами территории этих поселков (см. рис. 1).
Для выделения и визуализации таких зон на Краснодонецком полигоне была разработана компьютерная геодинамическая модель формирования месторождения. Методика ее построения основана на использовании одного из последних вариантов программы Mathcad-7 и заключалась в следующем:
ПРОГНОЗНЫЕ РЕСУРСЫ МЕТАНА КРАСНОДОНЕЦКОГО ПОЛИГОНА
№ участка Наименование рабочих угольных пластов (площадь, км2) Запасы угля, тыс. т Природная газоносность м3 /т Ресурсы метана, млрд м3 Концентрация (плотность) ресурсов, метана, млн м3/км2 Коэффициент возможного извлечения метана Извлекаемые ресурсы метана, млн м3
1 Шв1 (1.2) 2200 28.0 0.062 51.7 0.5 31.0
Ш тав1 (2.4) 3300 32.0 0.106 44.0 0.5 53.0
1У т*1 (8.6) 9500 32.0 0.304 35.3 0.5 152.0
У т*1 (13.5) 15600 34.0 0.530 39.3 0.5 265.0
Итого т*1 (25.7) 30600 28-34 - 1.002 35.3-51.7 0.5 501.0
1 т 9 - т92 (1.2) 2816 28.0 0.079 65.8 0.5 39.5
Ш т 9 - т92 (2.4) 2577 32.0 0.083 34.6 0.5 41.5
1У т 9 - т92 (8.6) 11014 32.0 0.353 41.1 0.5 176.5
У т 9 - т92 (13.5) 31790 34.0 1.081 70.7 0.5 540.5
Итого т 9 - т92 (25.7) 48197 28-34 1.596 34.6-70.7 0.5 798.0
Всего т*1 -т 9 - т92 (1.2) 78797 28-34 2.598 76.4-117.5 0.5 1299
Благоприятным фактором для развертывания работ по обустройству опытно-промышленного полигона является также наличие Несветаевской геологоразведочной экспедиции с необходимой техникой для бурения газопромысловых скважин и испытания пластов, расположенной в 30 км от поселка Синегорский. Для проведения работ по организации полигона и его последующего обслуживания предполагается задействовать более 50 человек из числа увольняемых шахтеров, т.е. порядка 8-9% от общей численности трудящихся ликвидируемого шахтоуправления.
Прогнозирование, обнаружение и визуализация метанообильных зон.
ческих нарушений. В этих участках угольных пластов происходят значительные изменения практически всех свойств угольного вещества, влияющие на газоотдающую способность ископаемых углей.
Именно такие зоны являются наиболее благоприятными для добычи угольного метана.
Отмеченные зоны объективно зафиксированы при отработке угольного пласта т81 в виде линейно вытянутых участков внезапных выбросов угля, пород и газов, суфлярных газовыделений и аномальной газоносности угольного пласта, достигающей 40-42 м3/т. Зоны флюидизации сопрягаются с Краснодонецким сбросом глубокого заложения в центральной части месторождения, являясь по отношению к нему оперяющи-
* в выбранной системе координат, привязанной к гипсометрическому плану почвы угольного пласта т8' масштаба 1 : 5 000 через 100 м по простиранию (ось Х) наносились значения изогипс (ось У), с последующим внесением этих данных в базу компьютера;
* по полученным данным рассчитывались уравнения регрессии, описывающие сечения морфологии пласта по его падению через 100 м;
* по набору уравнений регрессий строилась объемная модель морфологии пласта в реальных координатах его залегания;
* определялась величина
отклонения (дисперсия) реальной поверхности от базовой плоскости;
Рис. 2. Компьютерная модель строения угольного пласта в районе наблюдательной газо-гидрогеологи-ческой скважины ГГД-3 (шахто-участок «Севроговка»)
* по полученным данным
строилась статистическая модель пликативной малоамплитудной тектоники угольного пласта;
* на основе обобщения
полученных данных строилась объемная модель относительных отклонений поверхности угольного пласта от базовой плоскости;
* на разработанную модель с
такой же детальностью наносились значения газоносности пласта в изогазах через 5 м3/т.
Построенная структурно-
морфологическая модель угольного пласта послужила основой для выделения наиболее перспективных по газоносности участков заложения дегазационных скважин (рис. 2). Для обоснования мест их заложения был проведен детальный анализ геодина-мической и геоэкологической ситуации, сложившейся к началу 2001 г. на Краснодонецком ОПП за период ликвидации угольных шахт КДШУ с ноября 1998 г.
По результатам проведенных гео-мониторинговых и газо-
экологических исследований установлено, что скорость затопления шахты Краснодонецкой, превышавшая в начальный период 40 см/сут, в настоящее время стабилизировалась в пределах 13-14 см/сут. Уровень затопления достиг отметки - 213.6 м при максимальном прогнозировании + 41.5 м . При дальнейшем затоплении шахты на поверхность будет вытеснено более 15 млн м3 подземной атмосферы, содержащей до 25-30 % метана, 1015% СО2, порядка 55-60 % азота, 810% кислорода, до 1-2% СО, Н2S и других газов.
Эти расчеты подтверждаются результатами натурных исследований га-зовыделения в шурфе № 1, по ряду имеющихся скважин и горных выработок, а также проб почвенной атмосферы по геомониторинговым профилям.
Так, например, пробы газов в шурфе № 1 содержали до 16.1% СН4,
4.2 % СО2, 0.5-1.0-% СО, 6-14 % кислорода. В покровных отложениях фиксируются до 5 линейно-вытянутых газовых аномалий с содержаниями метана до 11-12 %, СО2 - до 5.8 %, кислорода - менее 3% (район сбойки № 5, балки Зубревой, сбойки № 7 и др.).
Для предотвращения описанных негативных процессов наиболее эффективной оказалась закладка основной газо-гидро-геологической дегазационной скважины ГГД-3 на южной окраине пос. Синегорского с таким расчетом, чтобы ее забой достиг места пересечения центральной зоны флюидизации мощностью 100-150 м с угольным пластом т81 на горизонте -170 м с предварительным перебури-ванием угольных пластов-спутников т92, т9', т90 и т9; составляющих продуктивную углегазовую пачку общей мощности 70-80 м.
При такой конструкции скважины и места ее заложения достигалась основная цель проектируемых работ - совмещение геолого-мониторинговых и газогидрогеологических наблюдений по скважине с отработкой методов дегазации угольных пластов и выработанного пространства с одновременным «перехватом» потока дренирующихся газов к поверхности по тектоническим и техногенным коллекторам.
Две другие тестовые скважины №9037 и №9038 были заложены и пройдены на восточном и западном флангах шахтного поля с целью предварительного изучения процессов дег-зации угольных пластов и проведения экспериментальных работ по деструкции систем «угль-газ».
Оценка газоотдающей способности угольных пластов
Далее переходим к рассмотрению факторов и критериев оценки газоотдающей способности ископаемых углей, которые имеют непосредственное отношение к проблеме извлечения угольного метана. Несмотря на более чем полувековой опыт превентивной дегазации угольных пластов при отработке месторождений каусто-биолитов, решение этого вопроса остается достаточно проблематичным, так как в большинстве случаев такие оценки проводились в связи с решением проблемы внезапных выбросов угля, пород и газа, суфлярных газо-выделений и других опасных газодинамических явлений.
Анализ отмеченных и ряда других работ показывает, что для решения данной задачи необходимо использовать три группы факторов и критериев: геолого-структурные, физико-
механические и газокинетические, которые явились предметом наших исследований. Новым подходом в этом направлении является применение многофакторного корреляционного анализа с определением уровня информативности более 30 главных, определяющих и корректирующих критериев оценки газоотдающей способности углей (табл. 2 ).
Для оценки способности углей и вмещающих пород к газоотдаче за основу были приняты теоретические и экспериментальные данные, полученные в предыдущий этап выполнения работ за 2000 г., а также с учетом новых методов определения степени ме-тастабильного состояния системы «уголь-газ» и «порода-газ» по комплексу геолого-структурных, газо- кинетических и флюидо-динамических факторов [13-14].
Количественными критериями оценки способности углей к газоотда-
че в условиях Краснодонецкого месторождения по первой группе факторов приняты: степень метаморфизма углей, их петрографический состав, уровень напряженно-
деформированного состояния горного массива, наличие зон трещиноватости и малоамплитудной тектоники; присутствие «тяжелой» экранирующей кровли в виде прокварцованных песчаников и т.п.
По второй группе факторов в качестве критериев оценки способности углей и вмещающих пород к газоот-
даче принята величина отношения природной газоносности, определяемая стандартными методами, к предельной газоносности, учитывающей все возможные формы нахождения газов в системе «уголь-газ» (свободная, поровая, клатратная, в виде твердогазового раствора). Предельная газоносность устанавливается специальными лабораторными методами, включающими методы насыщения и вакуумной декриптометрии.
По третьей группе факторов критериями оценки способности углей и
вмещающих пород к газоотдаче являются величины их пористости и газопроницаемости, минимальный размер ненарушенного фрагмента угольного вещества, энергия активации процесса деструкции системы «уголь-газ», скорость изменения управляющих параметров деструкции этой системы, учитывающая резонансные процессы в угольном пласте.
Разработан алгоритм оценки информативного веса (вероят-ностного критерия) для выбранной трехкоординатной системы
Таблица 2
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПО ЗНАЧИМОСТИ ФАКТОРОВ И КРИТЕРИЕВ ГАЗООТДАЧИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ДЛЯ КРАСНОДОНЕЦКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
№№ ii.ii. Факторы и критерии газоотдачи Коэффициент ранговой корреляции по Спирмену Коэффициент информативности
1. Геолого-структурные факторы
1. Глубина залегания 0.520 97.0
2. Обводненность -0.321 35.0
3. Положение в складчатой структуре и наличие элементов малоамплитудной тектоники 0.490 68.0
4. Марочный состав угля 0.459 71.0
5. Петрографический состав угля 0.450 70.0
6. Литологическая принадлежность углевмещающих пород 0.346 44.0
7. Мощность пород непосредственной кровли 0.211 28.0
8. Мощность пород основной кровли -0.095 10.0
9. Мощность угольного пласта (углегазовой пачки) 0.184 23.0
10. Угол падения пласта 0.126 19.0
11. Мультипликативный геохимический показатель флюидизации 0.460 72.0
12. Угленасыщенность разреза 0.470 75.0
2. Физико-механические свойства угля и вмещающих пород
1. Прочность пород непосредственной кровли -0.092 15.0
2. Прочность пород основной кровли 0.098 16.0
3. Трещиноватость пород непосредственной кровли -0.092 15.0
4. Трещиноватость пород основной кровли -0.110 7.0
5. Коэффициент напряженно-деформированного состояния массива (^раст/^сжатия) 0.655 135.0
6. Микротрещиноватость угля 0.480 80.0
7. Степень дробимости угля 0.460 72.0
8. Пористость угля -0.610 120.0
9. Дисперсия показателя отражения витри-нита 0.300 40.0
10. Электромагнитная активность угля 0.615 125.0
3. Г азокинетические >акторы
1. Природная газоносность углей 0.510 106.0
2. Удельная газоемкость 0.480 70.0
3. Скорость газовыделения 0.660 140.0
4. Показатель флюидоактивности 0.520 120.0
5. Соотношение «свободного» и «связанного» газа 0.361 46.0
6. Г азопроницаемость 0. 460 72.0
7. Коэффициент восстановленном^ газовой смеси 0.350 45.0
8. Скорость изменения РТ-парамет-ров системы «уголь-газ» 0.515 115.0
прогнозирования газоотдачи угольных пластов по геолого- разведочным и маркшейдерским (эксплуатационным) данным, а также результатам лабораторных исследований проб угля и углевмещающих пород для двух вариантов бурения дегазационных скважин - в «спокойную», тектонически ненарушенную углегазовую залежь и в зону тектонически нарушенного флюи-дизированного угля (далее «флюи-до-активную зону»).
В результате вакуумно-декриптометрических исследований установлено, что коэффициенты га-зоотдачи углей Краснодонецкого месторождения без внешнего воздействия для отмеченных двух га-зо-геодинамических обстановок существенно различны: в первом случае («спокойные» угли) Кг варьирует в пределах 0.2-0.3 во втором достигает 0.5-0.6 от природной газоносности, которая составляет от 15-20 до 30-35 м3/т (во флюидоактивных зонах до 40-45 м3/т). Столь существенные различия определяются разной степенью метастабильности системы «уголь-газ», которая, в свою очередь, зависит от конкретного сочетания геолого-струк-турных, физико-механических и газокинетических факторов и критериев. В соответствии с этой методикой для оценки способности углей к газоотдаче использовались реальные модели термодинамического состояния системы «уголь-газ» и уровни ее метастабильности на основе использования конкретных измерений горно-
геологических условий формирования угольного пласта, физикомеханических свойств углей и реконструкции термобарогеохимических параметров их метаморфизма, в том числе в зонах флюидизации.
Согласно принятой модели состояния системы «уголь-газ», для определения способности угольного пласта к газоотдаче использованы конкретные измерения геологогеофизических, термобарогеохимических и газокинетических параметров углей и углевмещающих пород, полученные при проходке более 60 геологоразведочных скважин на Краснодонецком месторождении. К их числу относятся следующие характеристики:
Рис. 3. Диаграмма зависимости коэффициента газоотдачи (Кг) от уровня ме-танообильности системы «уголь-газ» ^s, глубины залегания угольных пластов (Н), газоносности (Q) и давления Р для Краснодонецкого месторождения. А-Е - поля метастабильности; 1-4 - кривые зависимости Q от Н по теоретическим расчетам (1) и результатам измерений по разведочным профилям (2-4)
* глубина залегания угольного пласта и плотность пород (для расчета
давления Р = Н^ • g, МПа);
* показатель напряженности горного массива Рн, равный отношению О" растяжения к ^сжатия П°родЫ.
а
Рн Н = К
а
(1)
где К - коэффициент, учитывающий степень разрушенности породы по Г.Г. Мухтарову (1.0 - ненарушенная,
0.9 - слабо трещиноватая; 0.75 - среднетрещиноватая; 0.65 - сильно трещиноватая; 0.5 - раздробленная) [10];
* уровень газонасы-
щености 9 устанавливаемый как частное от деления реальной природной газоносности угля Gn к максимально возможному газосодержанию Gmax для данной марки угля:
G (2)
3 =—^ (2)
G
max
В результате изученная часть горного массива месторождения разделена на 5 участков (блоков), существенно различающихся по газоносности и коэффициентам газоотдачи угольных пластов. Это, в свою очередь, явилось одним из основных факторов, влияющих на выбор мест заложения буровых дегазационных скважин, методов и средств интенсификации газовыде-ления ископаемых углей месторождения (рис. 3).
Обоснование методов интенсификации газоотдачи угольных пластов
Решение третьей и четвертой за-
молекулярной и надмолекулярной структуры, физико-
химических и электрофизических свойств ископаемых углей, предпринятыми учеными
СКНЦ ВШ, ИПКОН РАН и Г еотехцентра-Юг РГУ при выполнении НТП «Уголь-выброс» и научнотехнического проекта «Угле-метан» [46].
Согласно полученным данным, в процессе регионального метаморфизма и локального флю-идно-
метасоматического преобразования углей в тектонически активных зонах при повышенных термобарогеохимических параметрах образуются мета-стабильные системы «уголь-газ» типа твердогазовых растворов внедрения, в которых основная масса флюидных компонентов находится в виде клат-ратных соединений-включений или же в дефектах надмолекулярных и межмолекулярных структур в виде твердогазового раствора.
Под воздействием внешних факторов, нарушающих метастабильное состояние таких систем, происходит их спиноидальный распад, сопровождающийся интенсивной генерацией метана и других газов, количество которых в ряде случаев значительно превышает природную газоносность
дач, направленных на обоснование эффективных методов интенсификации газовыделения из угольных пластов и выбор соответствующих гео-технологических схем отработки углегазовых месторождений, представляет собой завершающий этап в организации опытно-промышленной добычи угольного метана.
Новые подходы к решению рассматриваемой задачи выявились в связи с детальными исследованиями
соответствующих типов углей, определяемую классическими методами десорбционного анализа [7].
Отсюда следует важный вывод о возможности разработки методов управляемой деструкции природных или искусственно создаваемых мета-стабильных систем "уголь-газ" при специально подобранном воздействии на угольный пласт, нарушающем его термодинамическое равновесие. На этой основе могут быть разработаны
новые научно-технические решения проблемы добычи углеводородных газов из угольных месторождений.
Выполненные теоретические и экспериментальные исследования показали, что среди таких методов наиболее перспективными являются гидроимпульсные, ультразвуковые, бароградиентные, депрессионные и электромагнитные способы воздействия на системы «уголь-газ» ^-10], приводящие к разрушению надмолекулярных структур угольного вещества и выделению глубоко законсервированных флюидных компонентов. Это направление исследований было принято за основу при выборе нами методов интенсификации газоотдачи угольных пластов на Краснодонецком месторождении.
Гидроимпульсный способ интенсификации газоотдачи угольных пластов осуществлялся с помощью типового агрегата ЦА-320, позволяющего регулировать давление и расход жидкости при ее нагнетании в предварительно пакерированную призабойную зону угольного пласта.
Методика испытаний депрессион-ного способа интенсификации газоот-дачи угольных пластов основана на использовании в качестве основного рабочего снаряда испытателя пластов КИИ-65 конструкции СевКавНИИ с пробоотборной камерой конструкции
Рис. 4. Диаграмма абсолютных и относительных объемов газовыделения из «спокойного угля» и угля из зоны флюидизации шахты Краснодонецкой до (обр. 67КУ и 57КУ) и после обработки ультразвуком (67КУ-1 и 57КУ-1)
УкрНИИГаза и испытателем пластов гидравлическим ИПГ-65.
Конструкция снаряда позволяет работать при перепадах давления на забое скважины до 350 кг/см2 при конечном диаметре скважины 75-103 мм и максимальной длине фильтра до 3 м.
Бароградиентный способ интенсификации газоотдачи угольных пластов реализуется с использованием типового бурового оборудования на основе станка ЗИФ-1200МФ, снабженного буровым снарядом, нижняя часть которого оборудована специальным устройством.. Осуществляя неоднократные спуско-подьемные операции с разной скоростью погружения и подьема бурового снаряда в интервале перебури-вания угольного пласта, удается создать кратковременные знакопеременные динамические нагрузки в призабойной зоне, передающиеся на угольный пласт. Как следует из проведенных модельных экспериментов, в нашем случае создавался перепад давлений в пределах 2.0-2.5 МПа.
Электромагнитные способы интенсификации газоотдачи угольных пластов разрабатываются авторами совместно с сотрудниками ИПКОН РАН с учетом новых представлений о внутренней структуре угольного вещества и базисных положений молекулярноэнергетической концепции развития термодинамической неустойчивости в системах «уголь-газ» при различных внешних воздействиях [11-12].
Экспериментальные исследования процессов интенсификации газовыде-ления из ископаемых углей при акустическом (ультра-звуковом) и высокочастотном электромагнитном (вибрационно-волновом) воздействии на систему «уголь-флюид» проводились в широком диапазоне контролируемых термодинамических параметров.
Акустическое воздействие на систему «уголь-флюид», осуществленное в водной среде с использованием дис-пергатора ультразвукового типа УЗДН-2Т при частоте 22-44 кГц, показало статистически достоверное по-
вышение интенсивности газовыделе-ния и изменение качественного соста-
ва летучих, что отчетливо фиксируется по результатам вакуумно-декриптометрического и газово-
хроматографичес-кого анализа обработанных проб угля (рис. 4).
При ультразвуковом воздействии на «спокойный» уголь, отобранный вне зон
флюидодинамического изменения угольного пласта, интенсивность газовыделения повышается незначительно (в пределах 8-10 %). В пробах угля, характеризующих флюидоактивные участки угольных пластов, наряду с общим увеличением объема выделяющихся летучих в 1.3-1.5 раза существенно возрастает и интенсивность газовыделения после ультразвуковой обработки углей (в пределах от 25 до 32 %), что очевидно связано с повышенным уровнем термодинамической неустойчивости и частичной деструкцией системы «уголь-флюид» в зонах флюидизации.
Электромагнитное (вибра-ционно-волновое) воздействие на систему «уголь-флюид», предпринятое с использованием ВЧ - генераторов, работающих при частотах от 10 КГц до 50 МГц и энергии излучения в пределах
0,5-1.0 кВт, показало, что высокочастотное поле интенсивно разрушает прежде всего поверхностный слой угольных фрагментов, а при высоких энергиях излучения всю структуру угольного вещества в объеме исследуемых проб.
При этом обнаруживается густая сеть паутинных (микрон-ных) трещин, имеющих весьма специфическую конфигурацию и ориентированных в произвольных плоскостях без видимой зависимости от текстуры
образца. Наиболее важным отличием этих трещин от классических эндо- и
экзокинетических нарушений сплошности угля является их развитие по схеме «цепной реакции»: одна магистральная трещина порождает серию более мелких, а каждая из них - еще более мелкие трещины, которые, по-видимому, имеют развитие и за пределами разрешения оптической микроскопии (рис. 5).
Более интенсивное облучение образцов при частотах 500 кГц, 5 МГц и 50 МГц (экспозиция 10 мин.) вызывает значительное изменение динамики и интенсивности газовыделения, заключающееся в появлении мощного эффекта дегазации в интервале 160200 °С с одновременным снижением интенсивности высокотемпературных максимумов.
Эти данные свидетельствуют о переходе системы «уголь-флюид» в метастабильное неустойчивое состояние в результате «перекачки» глубоко законсервированных молекул газа, находящихся в твердогазовом растворе, на термодинамический уровень консервации с меньшими энергиями активации. Наиболее контрастно отмеченные явления устанавливаются
при частотах 40-50 кГц, 450-500 кГц и 20-30 МГц для участков угольного пласта, подверженных предварительному динамо- и флюидогенному воздействию.
Таким образом, проведенные исследования показывают, что интен-
Рис. 5. Микротрещинноватость угля пласта т*з шахты Краснодонецкой после ВЧ-воздействия) обр. 57КУ, аншлиф, ув. 400 Х)
сификация процессов газовыделения из углей может быть достигнута практически при любом из выбранных методов воздействия, но эффективность такого воздействия значительно различается по необходимой энергии активации и получаемому в итоге составу выделяющихся газов. Кроме того, не вызывает сомнения, что в реальных условиях промышленного извлечения метана из угольных пластов технологическое решение предполагаемых методов воздействия будет зависеть от степени предварительного флюидогенного преобразования угольного вещества под влиянием конкретных термобарогеохимических параметров формирования угольного пласта и других горногеологических факторов.
Исследования в этом направлении планируются провести на следующем этапе работ.
Выбор рационально-технологической схемы дегазации угольных пластов
Для выбора рациональной технологической схемы дегазации угольных пластов использовались конкретные результаты анализов геодинами-ческой обстановки и газоотдающих свойств углей Краснодонецкого месторождения с учетом места заложения дегазационных скважин.
В соответствии с полученными данными о геологическом строении Краснодонецкого месторождения в пределах горного отвода КДШУ, выделены три блока, отличающиеся по условиям залегания угольных пластов (рис. 6).
* блок № 1 - от поверхности до подошвы угольного пласта Ш91;
* блок № 2 - от подошвы пласта т9* до подошвы пласта т9;
* блок № 3 - от кровли пласта т9 до подошвы пласта та1.
Анализ геодинамической обстановки показал, что горно-геологические условия дегазации угольных пластов в выщеленных выше блоках углегазового разреза существенно различны.
Верхний блок, включающий угленосную толщу и пласт т9* , находится в спокойной геотектонической обстановке при пологом залегании пласта, не осложненном малоамплитудной тектоникой и ненарушенном техногенными воздействиями при эксплуатации месторождения. Мощность пласта находится в пределах 0.8-1.2 м.
Для интенсификации процессов га-зовыщеления из пласта т91 с учетом горногеологических условий его залегания в разработанной модели было предусмотрено применение полного комплекса методов воздействия, включающего бароградиентный, гидроимпульс- ____________________
ный и депрессионный способы активации газоотдачи.
Средний блок углегазовой толщи, представленный угольными пластами-спутниками т9 и др., переслаивающимися с горизонтами песчаников, алевролитов и глинистых сланцев, находится в зоне влияния висячего бока зоны флюидизации и тектонической на-рушенности углевмещающих пород, что обуславливает высокую вероятность самопроизвольной их дегазации без применения специальных мето-
дов воздействия. Вместе с тем в модели предусмотрено использование депрессионных методов дегазации углегазовой толщи с целью определения дебита и состава выделяющихся газов.
Нижний блок, содержащий угольные пласты т9 т8*, перекрытые пластом флюидизированного песчаника и углисто-глинистых сланцев (ложная кровля) приурочен к флексурообразному нарушению продуктивной толщи, что создает предпосылки к накапливанию метана в сильно трещиноватых породах. Поэтому в модели было предусмотрено двухстадийное проведение испытаний. на первой стадии - гидроразрыв с принудительной дегазацией, на второй - применение бароградиентных и депрессионных способов воздействия.
Результаты испытаний методов интенсификации газовыделения по скважине ГГД-3
В соответствии с Программой работ осуществлены три цикла испытаний методов интенсификации газовы-деления из угольных пластов по
Рис. 6. Газогидрологическая зональность по скважине ГГД-3 после проведения испытаний
скважине ГГД-3 на Краснодонецком полигоне, находящихся в разных горно-геологических условиях.
В первом цикле испытывались угольные пласты и углевмещающие породы верхней части геологического разреза до глубины 124 м, залегающие в спокойной геотектонической обстановке, включающий следующие операции:
• отбор и изучение керна на интервале проходки угленосных свит С3* и С27 от 20 до 124 м, в том числе с выходом керна не менее s0 % при пересечении угольных пластов (сверху вниз) n0, m92 и m9';
• секционное газовое опробование вскрытых скважиной угольных пластов с использованием герметичных стаканов, а также стандартных методов отбора газов через гидрозатвор в герметичные емкости обьемом 1.5 л;
• испытания бароградиентного, гидроимпульсного и депрессионного методов интенсификации газоотдачи угольных пластов и углевмещающих пород верхней части разреза;
• определение дебита и состава газов, выделяющихся при проходке скважины ГГД-3 и проведении первого цикла испытаний.
В результате проведенных работ установлено следующее:
1. В интервале проходки 0-124.5 м углевмещающие породы отличаются наличием маломощной зоны тектонических нарушений, сопровождающейся сульфидизацией песчаников и песчанистых сланцев в кровле и подошве угольных пластов; природная газоносность угольного пласта находится в пределах 15-20 м3/т, в составе газов определены: метан - 44.32 %, азот -39.4 %, СО2 - 15.3s %, водород - 0.43 %, гелий - 0.0s %, этан - 0.39 %, кислород - сл.
2. При вскрытии угольных пластов n0, m92 и m91 аномальных газовы-делений не зафиксировано, в составе газов внутри бурильных труб преобладает азот при низких содержаниях СО2, метана и кислорода.
3. Испытания методов интенсификации газоотдачи угольного пласта m91 показали, что и первый (бароградиентный), и второй (гидроразрыв) методы стимулировали незначительное (на 10-15 %) увеличение газоот-дачи угольных пластов и углевмещающей толщи, что обьясняется их
нахождением гипсометрически в зоне метанового выветривания. Более эффективным оказался депрессионный метод активации газовыделения, показавший 2-3-х кратное увеличение содержания метана и СО2 с интенсификацией газовыделения на 30-40 %.
Во втором цикле работ исследования и испытания проводились в средней части геологического разреза на интервале бурения от 124 до 174 м, характеризующимся наличием углевмещающих пород свиты С27 и двух угольных пластов m90 и m9 , находящихся в зоне флюидизации и нарушенных малоамплитудной тектоникой.
В результате проведенных работ установлено следующее:
1. В интервале проходки 124.5174.0 м углевмещающие породы отличаются наличием двух зон флюиди-зации с повышенной газоносностью, сопровождающихся тектоническими нарушениями, сульфидизацией песчаников и песчанистых сланцев, а также существенным (на 5 м) увеличением мощности пачки пород между угольными пластами m90 и m9; природная газоносность угольных пластов m9 и m90 находится в пределах 30-35 м3/т, в составе газов определены : метан -71.42 %, азот - 20.2s %, СО2 - 7.75 %, водород - 0.32 %, этан - 0.23 %, при отсутствии кислорода.
2. При вскрытии угольных пластов наблюдалось спонтанное газовы-деление с содержаниями метана -
40.2 %, СО2 - 1.2 %, азота - 39.3 %, при дефиците кислорода (1s.1 %).
3. Испытания методов интенсификации газоотдачи угольных пластов m90 и m9 показали, что наиболее эффективным методом активации газо-выделения в данном случае явилось бароградиентное воздействие, в результате которого произошли два выброса водно-газовой смеси, а интенсивность выделения метана увеличилась в 5 раз, СО2 - в 15 раз. В составе газов определены: метан - 65.s %, СО2 - 1.7 %, азот - 20 %, кислород -
11.3 %, этилен - 0.05 %.
В третьем цикле проведены дополнительные испытания комплексного метода интенсификации газоот-дачи угольных пластов m9 и ms1 , вскрытых тестовой дегазационной скважиной ГГД-3, включающего предварительное расхаживание призабойной зоны, бароградиентное и
гидроимпульсное воздействие на угольные пласты.
Для интенсификации газовыделе-ния был осуществлен резкий сброс давления в призабойной зоне путем снижения уровня бурового раствора через специальный клапан пакера, установленного на глубине 162 м. При этом произошло газовыделение суф-лярного типа, наблюдавшееся в виде интенсивного «кипения» бурового раствора на устье скважины, с дебитом от 430 до 1200 м3/сут. В колонне буровых труб на устье скважины зафиксировано избыточное давление газа порядка 0,15-0.20 МПа, что свидетельствует о минимальном пластовом давлении газов в 1.5-2.0 МПа, соответствующем гидростатическому давлению.
Были взяты пробы газа и бурового раствора в герметичные емкости. Анализы этих проб показали присутствие метана до 69.7 %, СО2 до 22.1 % и уменьшение содержания азота до 4.5 %, с практическим отсутствием кислорода, а также следы других углеводородов. Процессы активного стимулированного газовыде-ления продолжались в течение 10-12 часов.
Последующие наблюдения за процессами газовыделения и газогидрогеологическим режимом в скважине в течение трех месяцев показали, что газовыделение продолжается с постепенным снижением дебита газов, обусловленным возникновением в стволе скважины гидрозатвора мощностью более 100 м. Проведенные расчеты показывают, что давление газа, поступающего из угольных пластов и зон флюидизации, составляют более 1Мпа, что свидетельствует об эффективности примененных методов интенсификации газоотдачи.
Следует также отметить, что в результате проходки дегазационной скважины ГГД-3, сообщающейся на глубине 1s0 м с выработанным пространством, произошло значительное (в 3-5 раз) снижение газовыделения в контрольном наблюдательном пункте сбойки № 5, что свидетельствует о «перехвате» скважиной потока газов, дренирующихся по зоне флюидизации к поверхности. Таким образом, подтверждена положительная роль этой скважины для улучшения экологической обстановки в центральной части КДШУ.
Проведенные исследования и эксперименты по интенсификации газо-выделения, как и ранее осуществленные опыты на сопряженной Красно-
донецкой площади, показали эффективность применения разработанных нами методов для повышения газоот-дачи неразгруженных высокомета-
морфизованных угольных пластов В. Донбасса.
1. Трубецкой К.Н. и др. О развитии исследований и разработок по вопросам добычи метана угольных пластов. —Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во МГГУ, 1996, вып. 4. -С. 13-18.
2. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. - М.: МГГУ. 1996. - 441 с.
3. Труфанов В.Н. Углеводородная флюидизация ископаемых углей и ее роль в процессах дегазации угольных пластов//Проблемы геологии, оценки и прогноза полезных ископаемых Юга России. Новочеркасск: НГТУ, 1995. - С. 27-30.
4. Иванкин П.Ф.Труфанов В.Н. Об углеводородной флюидиза-ции ископаемых углей//Докл. АНСССР, т. 292, № 5, 1987. - С.1214-1216.
5. Труфанов В.Н., Лосев Н.Ф. и др. Моделирование процессов углеводородной флюидизации ископаемых углей. - Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ. 1995. - 48 с.
6. Труфанов В.Н., Славгородский НИ., Труфанов С.Н. Углеводородная флюидизация ископаемых углей.// Научно-технические достижения и передовой опыт в области геологии и разведки недр. - М.: ВИЭМС, 1991, в.6. - С.8-17.
7. Лосев Н.Ф., Труфанов В.Н., Смирнов Б.В., Фролков Г.Д. Процессы и явления, сопровождающие и формирующие внезапные выбросы угля и газа // Препринт. СКНЦ ВШ. 1994. - 50 с.
8. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. - М.: Недра, 1979. - 271 с.
9. Гурьянов В.В., Труфанов В.Н., Матвиенко Н.Г., Бобин В.А. Формы нахождения метана в углях и геотехнологические методы дегазации угольных пластов. - Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ. 2000. - 64 с.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
10. Трубецкой КН., Матвиенко Н.Г., Гурьянов В.В., Бобин НА. Заблаговременное извлечение метана из угольных пластов - перспективное направление сокращения эмиссии шахтного мета-на//Сокращение эмиссии метана. Материалы 2-й Международной конференции. - Новосибирск: СО РАН. 2000. - С. 462-464.
11. Бобин В.А. Научные аспекты метода виброволного воздействия, интенсифицирующего добычу шахтного метана. // Сокращение эмиссии метана. Материалы 2-й Международной конференции. -Новосибирск: СО РАН. 2000. - С. 352-354.
12. Лосев Н.Ф., Труфанов В.Н., Гамов М.И. и др. Теоретическое и экспериментальное определение термодинамических параметров распада твердых углегазовых растворов при использовании эффективных методов интенсификации газоотдачи угольных пла-стов//Отчет о НИР по теме № ^0 за 199s-99 гг. Фонды СКНЦ ВШ. 1999. - 92 с.
13. Труфанов В.Н., Гамов М.И., Рылов В.Г. Термобарогеохимические критерии выбросоопасности угольных пластов.// Термобарогеохимия геологических процессов. - М.: ВНИИСИМС, 1992. - С. 167-16s.
14. Забигайло В.Е., Николин В.И. Влияние катагенеза горных пород и метаморфизма углей на их выбросоопасность. - Киев: Наукова Думка, 1990. - 166 с.
* Работа выполнена при финансовой поддержке проекта «Углеметан» НТП «Недра России» и гранта РФФИ № -01-05-64824
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------
Труфанов В.Н., Гурьянов В.В., Гамов М.И., Матвиенко Н.Г., Рылов В.Г. - Геотехцентр-Юг РГУ.
