CC BY
37
Е.В. Гончаров, «ВНИМИ»
Результаты экспериментов по разработке
термогазохимического способа интенсификации притока метана из пластов угля и перспективы его внедрения
Автором внимательно проанализирован опыт извлечения метана из участков вне влияния горных работ газоносных угольных пластов на шахтных полях России, Казахстана и Украины [1, 2 и т.д.]. Обращает внимание относительная безуспешность получения стабильных высоких газо-притоков (более 1,5 - 2,5 м3/мин) при широком спектре применения способов интенсификации газо-притоков, основанных на всякого рода гидровоздействии, включая гидропневмовоздействие, кислотные обработки, гидрорасчленеие и т.п. и в т.ч. термофизхимию. С одной стороны необходимо иметь ввиду постоянную ограниченность средств, которая не позволяет до конца отработать технологию и адаптировать ее к конкретным горногеологическим условиям. В результате чего, количество такого рода технологических экспериментов исчисляется двумя-тремя десятками, в отличие от тысяч скважин в известном и часто упоминаемом бассейне Сан-Хуан (США). С другой стороны именно ограниченность средств заставляет еще раз проанализировать физикомеханические и химические условия воздействия на вещество угольного пласта с целью активизации выделения молекул метана из тех растворов и состояний которые подробно описал Этингер И.А.
Видимо необходимо признать, известный в практике разработки газоконденсатных месторождений факт, линзовидных по площади и неоднородных по мощности коллекторских и фильтрационных свойств угольного пласта, что при гидравлическом воздействии приводит к защемлениям газа. Неоднородность обусловлена как гене-
тическими так и геодинамически-ми [5] причинами, однако не останавливаясь на причинах, в практике газодобычи применяются в таких случаях способы предварительного «переформирования коллектора» (термин С.Н. Закирова) [4], когда «около скважины желательно иметь элементы массивной залежи» и снизить роль «суперколлекторов», по которым в основном и происходит миграция воды, воздуха и из ограниченного объема которых в основном и получает метан. Методы «переформирования» в основном взрыва в скважине либо в пласте при использовании жидких взрывчатых веществ [6]. Однако, практика взрывных работ на угольных пластах месторождений показала ограниченное до ~ 5-10 метров [6] развитие дренирующих трещин вокруг места взрыва, кратковременный динамический ударный эффект не позволяющий перевести в свободное состояние существенные объемы газа и ограниченное выделение тепла, которое также недостаточно для перевода молекул метана в свободное активное состояние. Поэтому, автором с группой сотрудников был разработан способ термогазохимического воздействия о содержании и экспериментах по разработке которого представлен предлагаемый доклад [7, 8, 9].
Основой способа является организации прогрева и активизации трещинообразования раскаленными газами, получаемыми в ходе реакции окислителя на обрабатываемом интервале в прискажинной зоне и на удалении от скважины 10-20 м. Кислородосодержащим веществом при этом целесообразнее всего применять аммиачную селитру, однако есть эксперимен-
ты и с перекисью водорода. У аммиачной селитры (АС) высокая растворимость в воде, например при 320С - 363 грамма на 100 грамм воды.
АС обладает положительным кислородным балансом +20%, поэтому реакция горения при взрыве идет в направлении образования высших окислов, при этом тепловой эффект составляет 335 ккал/кг, выбрасывая 419 л/кг окислов азота.
Характер распада АС зависит от температуры в соответствии с реакциями:
при 110 0С МН^Оз^НШз+МНз Т- 41ккал/моль (1)
при 185-200 0С ]Н4]Оз^Ы2ОТ+ 2Н20++30,3 ккал/моль (2)
при 230-400 0С2 МВДОз ^ 2^ + +02 + 4Н20 + 30,7 ккал/моль (3)
выше 400 0С4 N^N03^3] +2Ш2Т+ +8Н2о1" +29,5 ккал/моль (4)
8ИН4]Оз ^ 2Ш2 + 4Ш + 5] + +16Н20 +49,5 ккал/моль (5)
Таким образом, в твердой фазе реакция протекает по механизму реакции (1), в расплаве (2-3), по реакциям (4-5) протекает разложение со взрывом.
Кроме достижения термогазового разрыва продуктами вышеприведенных реакций, углерод угольного вещества вступает в реакцию с кислородом образуя окись углерода и углекислый газ. Растворение двуокиси азота в воде образует азотную кислоту, а уголь погруженный в нее ярко разгорается. Варианты реакций с образованием цианидов и карбидов маловероятны.
Первые эксперименты с твердыми смесями селитры и угля были произведены на полигоне «Эр-киля» СПГГИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова. Цель экспериментов была в том, чтобы оценить условия окислительной реакции развиваемое давление в условиях горе-
Рис.1.
ния или быстрого горения, при исключении условий детонации. Смесь селитры и угля в соотношении от 30% до 70% селитры нагревались электрической спиралью в шпурах, пробуренных в граните диаметром 43 мм и глубиной 1-1,2 м. Шпуры были закрыты металлическими пробками. Реакция начиналась при ~ 200 0С и дальше шла в нарастающем режиме до возникновения трещины отрыва в граните (рис. 1).
Период нарастания давления до 10 мин., давление по ориентировочным расчетам составило ~ 80 МПа, но основной вывод был сделан о возможности организации термогазового разрыва и в осадочных породах.
Однако, первые промышленные эксперименты с составами на основе аммиачной селитры были осуществлены по другим схемам для повышения эффективности и полноты извлечения угля при его подземной газификации (ПГУ) в условиях Ангренской станции «Подземгаз» (в настоящее время АО «Еростикгаз»), единственной успешно действующей станции ПГУ и в настоящее время. Эффект был достигнут за счет высокой растворимости селитры особенно в нагретой до 60-80 0С воде, что позволяло создавать пересыщенные растворы, кристаллизующиеся при более низких температурах в скважине. Дело в том, что при ПГУ в зоне окисления, оказывается уголь примерно на половине расстояния между дутьевым и отводным рядами скважин. Чтобы увеличить проницаемость зоны восстановления, находящейся у
234
отводных скважин, предотвратить затухание процесса (ПГУ) и сократить время фильтрационной сбойки, было предложено у отводных скважин нагнетать пересыщенный раствор аммиачной селитры [10, 11] в объеме:
V = 0,6 R2m (1 - С) К; (6)
где R - расстояние между дутьевыми и отводящими скважинами; т - мощность пласта; С - зольность пласта; К - для условий станции ПГУ - 0,5 х 10-3;
Вначале способ был испытан на 5-ти отводных скважинах, на которых период сбойки сократился от 20 до 50%; температура извлекаемого газа увеличилась на 30% при неизменной каллорийно-сти 900-1000 ккал/м3, объем извлекаемого газа увеличился относительно аналогичных скважин без аммиачной обработки на 2040%. Деятельное участие в проведении экспериментов приняли сотрудники станции ПГУ «Подземгаз» Голубев Ю.Б., Пащенко В.И. и Саптыков И.М.
Этот прием стал использоваться на станции при ПГУ при осложнениях фильтрационной сбойки либо неблагоприятных геологических условиях (утонение пласта, либо пликативных нарушениях). Объем закачки на первых пяти скважинах составил 2-3 м3 пересыщенного раствора, на приготовление которого уходило до 3-х тонн селитры. Время кристаллизации до 3-х суток.
Реализация способа оказалась проста, безопасна и технологична. Для этого, достаточно уникального способа переработки угольного вещества, технологические мероприятия на основе селитры особенно выгодны и являются одним из рычагов управления процессом ПГУ.
Вместе с тем, глубина скважин ПГУ редко превышает 200-250 метров, а движение раскаленного газа высушивает пласт. Необходимо было опробовать другие технологические схемы по применению составов на основе селитр, в том числе для нефтяных скважин с глубиной 2000 и более метров. Были известны опыты американ-
ских компаний с жидкими взрывчатыми веществами, в том числе с суспензиями на основе селитр в мазуте, которые не были признаны удачными. Но о низкой эффективности взрывания в так называемой «зажатой среде» автору было известно и все эксперименты строились таким образом, чтобы вызвать горение или хотя бы быстрое горение, или экзотермическую реакцию и выделение газообразных химически активных продуктов. Первый эксперимент по проверке эффективности упомянутого способа на нефтедобывающих скважинах был осуществлен в Новом Уренгое, в ПО «Уренгойгазпром» на скважине №20412, в которой отсутствовала гидродинамическая связь с пластом. Параметры теплового воздействия подробно приведены в [12].
Положение искусственного забоя (до начала операции) 2962 м, интервал перфорации 2891-2962 м, глубина НКТ - 2870 м, температура на интервале перфорации 80 0С среда-конденсат. Рабочая смесь -сульфоуголь с селитрой. Инициация горения - реакцией соляной кислоты и магния. Из-за близости водно-газовых контактов реализовался наиболее безопасный вариант, без достижения значительных температурных и динамических градиентов.
Вес загруженной смеси составил 100 кг (селитра, сульфоуголь некоторые добавки). Выделившееся тепло при теплотворной способности угля Q = 5000 ккал/кг. составило 500000 ккал. Объем выделившихся газов 210 м3. Максимум температуры, достигаемый при таких объемах реагентов, прогрев массива на удалении 0,1 и 0,2 метра от стенки скважины и время этого прогрева представлены на рис. 2. Обращаем внимание, что перепад в температуре на 330С, достигаемый в данном случае, превышает предел прочности для пород с учетом разупрочняющего-ся действия бурового раствора, по данным Д.А. Гохфельда, Э.М. Сулейманова, Л.М. Митвеенко. Эффект достигался благодаря прогреву,
ГИАБ
Рис.2. Зависимость максимального прогрева массива при больших объемах реагента на удалении 0,1 и 0,2 м от обнажения при соответствующем времени протекания процесса
газообразованию, снижение
«удельного веса» конденсата. В результате проведенных операций восстановлена гидродинамическая связь с пластом, ликвидирована пробка на забое (12 метров), достигнута приемистость при которой давление в НКТ снизилось от 8,0 до 4,2 МПа за 14 часов.
Основным фактором обеспечивающим положительный эффект явилось снижение удельного веса заполняющей скважину нефти или конденсата за счет интенсивного газообразования на интервале перфорации. Так, например, из 10 кг проинициированной смеси на основе селитры образуется 10000 литров высокотемпературных (более +150 0С). Как следствие, удается увеличить градиент давление между коллектором и скважиной, что приводит к миграции флюида к скважине через зону кальмета-ции, выносу загрязненных частиц в скважину и удалению их к устью. Проницаемость увеличивается, как говорилось выше, и из-за микротрещин, образующихся при термическом воздействии на породы в прискважинной зоне. Увеличение проницаемости происходит при уменьшении вязкости флюида, так как в ходе реакции образуется углекислый газ, что дополнительно увеличивает надежность достижения эффекта.
Глинистые частицы из бурового раствора, кольматирующие нефте- и газопроводящие трещины и фильтрующие каналы, отвердевают, обезвоживаются и лишаются молекулярной связи со стенка-
ми фильтрующих каналов. Появляется возможность их выноса или обтекания дренирующим флюидом. Диссимиляция высокомолекулярных компонентов (асфальтены, смолы) представляется осложняющим фактором лишь при предварительном применении смоловязких растворителей и компенсируется выносом коагулянта в скважину с участием в окислительной реакции и удалением продуктов реакции на поверхность при организации окислительных экзотермических реакций. Также положительным фактором является выход побочных продуктов, которые сами являются активными реагентами, такими как азот и азотистые соединения N0^ ^04; N.
В результате этого, кроме тепловых эффектов, возникают явления схожие с явлениями, достигнутыми при кислотной обработке. Т.е., кроме трещинообразования вследствие тепловой усталости, релаксации опорных напряжений, обусловленных геомеханическими процессами и увеличением проницаемости, непосредственно коррелируемой с напряженно-деформированными состояниями пород в прискважинной зоне, происходит растворение частиц кристаллического скелета бурового и «глушильного» глинистого раствора, удаление частиц коагулята высокомолекулярной компоненты.
Огромным достижением эксперимента явилось то, что было снято предубеждение о неотвратимости взрыва в ходе реакции селитры и конденсата, даже при инициировании ее известным способом, реакцией магния и соляной кислоты, при которой температура была поднята до 200-300°С и далее реакция шла по [1-3]. Процесс продолжался свыше 2-х суток, а на тре-тие сутки температура на забое превышала первоначальную на 3 0С.
Однако инициирование процесса реакцией магния и соляной кислоты не обеспечивало интенсивного быстрого горения. Кроме того, в условиях обводненного забоя, необходимы были высоко-
мощные по выделяемой тепловой энергии средства, способные высушивать область закладки смеси, прогревать смесь в значительном объеме до температур интенсивного газовыделения, но вместе с тем, не вызывать взрыва. Таким требованиям отвечали композиции на основе пероксида водорода, а также на основе АС. Были проведены обширные лабораторные исследования по подбору оптимального состава. Исследования проводились на установке, которая позволяла определять линейную скорость сгорания, путем определения времени прохождения фронта реакции между двумя реперными точками. Моменты прохождения фиксировались как последовательные разрывы 2-х электрических цепей замкнутых на запоминающий цифровой осциллограф С9-8. Исследования с пероксидом водорода показали уменьшение скорости горения с уменьшением концентрации пероксида водорода (85%), при слабой зависимости скорости сгорания от коэффициента избытка окислителя. Исследовались также влияние добавок -бихромата калия, алюминия и др.
Стендовые испытания проводились в «бомбах» постоянного объема с разрывной мембраной, где определялась возможность воспламенения селитры с углем и нефтепродуктами. Количество зажигательного состава составлял 30 грамм, воспламенение которого осуществлялось при помощи электровоспламенителя (12 - 24 вольт) начальный объем 1 литр. При начальном атмосферном давлении скорость горения достигала
0,05 - 0,08 сек; скорость нарастания давления 60,9 - 132,1 МПа/сек; зафиксировано полное сгорание смеси АС с мазутом и АС с углем. При задании начального давления, сопоставимого с давлением в нефтяной скважине (10 - 20 МПа) зафиксирована частая дета-нация с огромной скоростью нарастания давления до 8000 МПа/сек, что приводило к частым разрушениям элементов стенда.
Наиболее удачными воспламенителями явились ампулы (25 грамм) состоящие на 75% из АС, перемешанной с катализатором на основе бихромата калия, полиэтилена в виде порошка и активирующей добавки. Скорость горения составляла от 0,01 до 2,7 сек при скорости нарастания давления от 235 до 4870 МПа/сек. этот состав и принят в качестве базового для натурных экспериментов на нефтедобывающих скважинах и скважинах по извлечению метана из угольных пластов.
На основе вышеизложенного, автор считает, что применение смесей и растворов аммиачной селитры в различных схемах для активизации газоотдачи, для переформирования газоносных коллекторов на угольных пластах и формировании дополнительных фильтрующих каналов имеет хорошие технологические перспективы. Элементы реализации способа просты, технически разработаны и испытаны в лабораторных, полигонных и натурных условиях.
В ближайшее время, предполагается промышленное опробывание способа в условиях газодобывающих скважин пробуренных на пл. Дб в поле шахты им. В.И. Ленина Угольного департамента АО «Ис-пат-Кармет». На промышленное оп-
робывание составлен план, который утвержден технической дирекцией.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сластунов С.В. «Заблаговременная, дегазация и добыча метана из угольных месторождений», МГГУ, М., изд. 1996г.
2. Васючков Ю.Ф. «Физикохимические способы дегазации угольных пластов», «Недра», М., 1986г.;
3. Ахметбеков Ш.У. «Стимуляция газовыделения из скважины гидрорасчленения». Караганда, ЦНТИ, 1994г.
4. Закиров С.Н. «Теория и проектирование, разработки газовых и газоконденсатных месторождений», М., «Недра», 1989г.
5. Гончаров Е.В., Гончарова Л.А., «Деформирование и блокообразова-ние осадочных пород в динамических зонах повышенного горного давления» В межвузовском сборнике научных трудов. «Физические процессы горного производства», СППГИ (ТУ) им.Г.В. Плеханова, 1992г. Стр. 36-41.
6. Патент РФ № 1280130, МКИ Е2№5/00, 7/00, Е21С41/02, «Способ вскрытия и пересечения выбросоопасных пластов» Авторы Кузнецов В.П., Бочаров А.Н., Гончаров Е.В., Маслов М.Ф., Фоминых Е.И., приоритет
1.04.1985г., Опубл. 30.12.86г. БИ № 48.
7. Патент РФ № 1750291 ,МКИ Е21В43/25, «Способ повышения продуктивности нефтяной скважины» Авторы: Гончаров Е.В., Гончарова Л.А., Соловьев В.Б., Смирнова Н.Н. Приоритет 22.05.90г., ДСП.
8. Патент РФ № 1691534 МКИ Е2№500 «Способ профилактической обработки выбросоопасных и газоносных пластов угля», Авторы: Дядькин Ю.Д., Кузнецов В.П., Чернегов Ю.А., Смирнова Н.Н., Гончаров Е.В., Соловьев В.Б., Кротов Н.В., Приоритет 24.04.89г., Опубл. 15.11.91г. БИ № 42.
9. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 95110428/03 (018641), МКИ Е21, В43/25, «Способ повышения продуктивности нефтяной скважины», Авторы: Гончаров Е.В., Устюжанин Г.С., Гончаров А.Е., Шебеста А.А., Питинин Л.Д., Приоритет 23.06095г.
10. Патент РФ № 1686885, МКИ Е21 В43/295, «Способ подземной переработки угольного вещества», Авторы: Гончаров Е.В., Орлов Г.В., Соловьев В.Б., Саптыков И.М., Смирнова Н.И., Калачик А.К.,, Приоритет 31.0190г.
11. Патент РФ № 2034139, МКИ Е21 В43/295, «Способ подземной га-зафикации угля», Авторы: Гончаров Е.В., Соловьев В.Б., Гончаров Л.А., Салтыков И.М., Голубев Ю.Б., и др., приоритет 4.02.92г.
12. Гончаров Е.В., Соловьев Е.Б., Шебеста А.А., Голубев А.Ф., «Термохимический способ воздействия на прискважинную зону с целью интенсификации добычи нефти», XI научно-техническая конференция «Проблемы эффективности производства на северных нефтегазодобывающих предприятиях», Н.Уренгой, ПО «Уренгойгазпром», 1994г.
© Е.В. Гончаров
224
226
228
230
2 і 1999
223
2 і 1999
225
2 і 1999
227
2 і 1999
229
