CC BY
1
подземные работы • underground mining
Оригинальная статья
УДК 622.277 © Р.В. КлюевН , 2025
ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет», 107023, г. Москва, Россия Н e-mail: [email protected]
Original Paper
UDC 622.277 © R.V. KlyuevH, 2025
Moscow Polytechnic University, Moscow, 107023, Russian Federation H e-mail: [email protected]
Циркулярное управление шахтным метаном при энергоснабжении буровых установок
Circular mine methane management for power supply of drilling rigs
DO!: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2025-2-106-109
клюев р.в.
Доктор техн. наук, профессор кафедры «Автоматика и управление», ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет» 107023, г. Москва, Россия, e-mail: [email protected]
При отработке угольных пластов с высокой газоносностью часто пытаются частично замкнуть цикл энергопотребления, вырабатывая собственную электроэнергию за счет сжигания извлекаемой метановоздушной смеси в газопоршневых установках (ГПУ). Цель использования газопоршневых установок состоит в сокращении операционных затрат в бурении за счет применения попутного нефтяного газа. Основными задачами являются: сравнение существующих технологий для энергоснабжения буровых установок; техническое обоснование работоспособности ГПУ при энергоснабжении буровых установок; экономический эффект при использовании ГПУ. Использование данной технологии будет одним из первых проектов по энергоснабжению бурения на газопоршневых установках в России. Использование ГПУ даст возможность утилизировать попутный нефтяной газ, что позволяет исключить штрафы за его сжигание на факелах, а это, в свою очередь, еще одна из статей экономии средств. Практическая значимость полученных результатов заключается в возможности разработки практических рекомендаций по циркулярному управлению шахтным метаном при освоении угольных и нетрадиционных газовых (сланцевый газ) месторождениях.
Ключевые слова: угольный пласт, шахтный метан, газопоршневая установка, энергоснабжение, бурение, попутный нефтяной газ, двигатель, экономические параметры.
Для цитирования: Клюев Р.В. Циркулярное управление шахтным метаном при энергоснабжении буровых установок // Уголь. 2025;(2):106-109. DOI: 10.18796/0041-5790-2025-2-106-109.
Abstract
When developing coal seams with high gas content, attempts are often made to partially close the energy consumption cycle by generating their own electricity by burning the extracted methane-air mixtures in gas piston units (GPU). The purpose of using gas piston units is to reduce operating costs in drilling due to the use of associated petroleum gas. The main objectives are: comparison of existing technologies for power supply of drilling rigs; technical justification of the GPU operability in power supply of drilling rigs; economic effect when using GPU. The use of this technology will be one of the first projects for power supply of drilling on gas piston units in Russia. The use of GPU will make it possible to utilize associated petroleum gas, which eliminates fines for its flaring, and this, in turn, is another item of cost savings. The practical significance of
underground mining » подземные работы
the obtained results lies in the possibility of developing practical recommendations for the circular management of coal mine methane during the development of coal and unconventional gas (shale gas) deposits. Keywords
Coal seam, coal mine methane, gas piston unit, power supply, drilling, associated petroleum gas, engine, economic parameters. For citation
Klyuev R.V. Circular mine methane management for power supply of drilling rigs. Ugol'. 2025;(2):106-109. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2025-2-106-109.
введение
Сокращение выбросов парниковых газов является одной из наиболее важных глобальных задач в достижении устойчивого производства и рационального освоения недр [1, 2]. Этот императив необходимо учитывать при внедрении инновационных геотехнологий и комплексной переработке минерального сырья [3, 4] для достижения углеродной нейтральности в нефтегазовом и угольных секторах экономики. При отработке угольных пластов с высокой газоносностью часто пытаются частично замкнуть цикл энергопотребления, вырабатывая собственную электроэнергию за счет сжигания извлекаемой метановоздушной смеси [5, 6, 7] в газопоршневых установках. Этот процесс известен,как когенера-ция. Кроме того, прогрессивным подходом в этой области является создание «циркулярного управления отходами», основанного на общих принципах «циркулярной экономики». Интеграция этой концепции в горнодобывающую промышленность может привести к инициативам, которые повысят энергоэффективность технологических процессов [8], уменьшат объем операционных издержек и снизят выбросы парниковых газов в атмосферу. Данная система мер направлена прежде всего на оптимизацию материальных потоков с учетом их цикличности на всех этапах производства. При отработке запасов газоносных пластов в удаленной местности возникают вопросы обеспечения энергией при сокращении затрат на бурение поверхностных скважин [9, 10]. Газ, добываемый поверхностными дегазационными скважинами, может быть использован для энергоснабжения буровых установок, что позволит реализовать принцип «циркулярного управления отходами» - сократить издержки при одновременном снижении вредных выбросов [11, 12]. Рост цен на дизельное топливо и ужесточение регулирования по сокращению выбросов внесли существенный вклад в рост операционных издержек (по сравнению с газотурбинными и дизельными электростанциями) в сферах разведки и добычи. Мобильные газопоршневые установки (ГПУ) mobileFLEX разработки General Electric наиболее перспективны для обеспечения энергоснабжения буровых установок, а также средств увеличения газоотдачи (гидроразрыв) пластов [13]. Оборудование является альтернативой дизельным агрегатам и может позволить получить более дешевую и экологически чистую энергию.
В связи с этим целью работы являлось обосновать экономическую целесообразность энергоснабжения буровых установок для бурения поверхностных дегазационных скважин для циркулярного управление шахтным метаном.
экономические выгоды использования гпу
по сравнению с аналогами
Основные преимущества использования GE Waukesha mobileFLEX:
- возможное снижение топливных издержек до 80% по сравнению с дизельными агрегатами;
- эксплуатация на сжиженном природном газе (далее -СПГ), компримированном природном газе (далее - КПГ) и пропане, а также высококалорийных попутных нефтяных газах;
- возможное снижение выбросов до 95% по сравнению с дизельными агрегатами;
- снижение шума в сравнении с другими энергогенери-рующими установками до 18 дБ;
- в сравнении с газотурбинными установками стоимость газопоршневых установок дешевле за счет цены за эксплуатацию, расходов на потребляемое масло и техническое обслуживание;
- благодаря более низким операционным затратам на газопоршневые энергогенерирующие установки их срок окупаемости меньше.
Сравнение ГПУ от General Electric с другими энергоустановками:
Газовое топливо обеспечивает меньшие энергозатраты, обусловливая снижение операционных издержек.
Одним из минусов газопоршневых установок является стоимость ввиду мульти-топливной гибкости и новизны технологий. Но при заключении арендного договора для энергоснабжения буровых установок стоимость не так критична.
Снижение выбросов с помощью сравнительно недорогого трехкомпонентного катализатора. Низкие выбросы NOx - для соблюдения норматива > 0,5 (210 мг/Нм3 при 5% О2). Низкие выбросы CO - для соблюдения норматива < 2,0 (830 мг/Нм3 при 5% О2).
Снижение шума в сравнении с другими энергогенери-рующими установками до 18 дБ.
Установки могут работать на попутном нефтяном газе изменяющегося состава, на СПГ и пропане, что позволяет перемещать установки между месторождениями.
Мультитопливная гибкость позволяет снабжать энергией нефтепромысловые работы, такие как бурение без приобретения дополнительного дорогостоящего оборудования при работе на попутном нефтяном газе.
Работа на обогащенной смеси позволяет достичь низкого уровня выбросов в сочетании с применением сравнительно недорогого трехкомпонентного катализатора и использовать разные виды промысловых газов в качестве топлива. В дополнение имеется ряд преимуществ, таких как: эксплуатационная гибкость (за счет широкого диапазона высот и температур) и возможность приема нагрузки до 65% от номинальной мощности за один шаг (что близко к параметрам дизельных установок).
подземные работы • underground mining
t ¿"—у ^ 1 l- ~ ' - и * Ц ' [ПГ31 ГЕТЛ^РТйа --J-.
' -
Рис. 1. Примерный график нагрузок буровой установки БУ-3000 Fig. 1. Approximate load schedule of the drilling rig BU-3000
HM МЛММП Lh'd Л-* '"г*" IT- llii^AI'ki ll'-n
^tii г mnniiii
1 I L IHUI Г^Ч^.М.П—т™ gl^H
Газопоршневая установка, использующая технологию Lean burn, имеет повышенный КПД при использовании высококачественного промыслового газа, СПГ и КПГ. Работа на обедненной смеси (Lean burn) обеспечивает низкий уровень выбросов. В состав может быть включено нагрузочное устройство, позволяющее достигать показателей дизельных установок.
Для качественной и продолжительной работы ГПУ необходима подготовка попутного нефтяного газа, для этого используют Блок подготовки пускового и топливного газа (БПТГ). Блок подготовки пускового и топливного газа
50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0
а
<и d и X
Эксплуатация оборудования, тыс. руб.
■ ГПУ
МТР на ТО, тыс. руб.
ДГУ
Аренда оборудования, тыс. руб.
■ ПАЭС
ГСМ, тыс. руб.
ПАЭС на ПНГ
Рис. 2. Сравнение экономических параметров применения различных типов электрогенерирующих установок
Fig. 2. Comparison of economic parameters for the use of different types of power generating units
предназначен для подготовки попутного нефтяного газа; отделения тяжелых углеводородов; осушки; удаления механических примесей; замера расхода; бесперебойной подачи топливного газа с параметрами, необходимыми для нормальной работы газопоршневых электростанций.
Примерный график нагрузок буровой установки БУ-3000 приведен на рис. 1.
Из рис. 1 видны скачки напряжения при работе буровой установки с минимальной рабочей нагрузкой в максимальном кратковременном режиме, при котором происходит моментальный наброс нагрузки, равный 1490 кВт.
На рис. 2 приведено сравнение экономических параметров применения различных типов электрогенерирующих установок.
заключение
В исследовании экономически обосновано техническое решение по использованию ГПУ для энергоснабжения нужд бурения поверхностных дегазационных скважин, которое готово к опытно-промышленным испытаниям на месторождениях. Использование технологии тоЬПеРЬЕХ будет одним из первых проектов по энергоснабжению бурения на газопоршневых установках в России. Ее широкое внедрение дает возможность утилизировать попутный шахтный метан, что позволяет исключить штрафы за его сжигание в факелах, а это, в свою очередь, еще одна
ИТОГО в месяц, тыс. руб.
108
ФЕВРАЛЬ, 2025, "УГОЛЬ"
underground mining • подземные работы
из статей экономии себестоимости добычи угля. Использование ГПУ с двигателями VHP 7104 GSI позволяет нормализовать экологические показатели, экономически целесообразно использовать попутный газ, снизить эксплуатационные затраты за счет больших промежутков между техническим обслуживанием, а также приведет к снижению операционных затрат на нужды одной буровой установки. Практическая значимость полученных результатов заключается в возможности разработки практических рекомендаций по циркулярному управлению шахтным метаном при освоении угольных и нетрадиционных газовых (сланцевый газ) месторождений.
Список литературы • References
1. Wang H., Shen J., Gao Ji, Wang W., Zhu L., Gu Y., Wang T. Cost estimation of Non-CO2 greenhouse gas emissions reduction. A bottom-up analysis of coal-bed methane extraction and utilization in Shanxi, China. Energy. 2024;309:133007. DOI: 10.1016/j.ener-gy.2024.133007.
2. Filonchyk M., Peterson M.P., Yan H., Gusev A., Zhang L., He Y., Yang Sh. Greenhouse gas emissions and reduction strategies for the world's largest greenhouse gas emitters. Science of The Total Environment. 2024;944:173895. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.173895.
3. Golik V.I., Klyuev R.V., Martyushev N.V., Zyukin D.A., Karlina A.I. Technology for nonwaste recovery of tailings of the mizur mining and processing plant. Metallurgist. 2023;66(11 -12):1476-1480. DOI: 10.1007/s11015-023-01462-y.
4. Golik V.I., Klyuev R.V., Martyushev N.V., Zyukin D.A., Karlina A.I. Prospects for return of valuable components lost in tailings of light metals ore processing. Metallurgist. 2023;67(1-2):96-103. DOI: 10.1007/ s11015-023-01493-5.
5. Бригида В.С., Джиоева А.К. Определение шага возведения искусственных полос частичной закладки для снижения эмиссии климатически активных газов // Уголь. 2024. № 4. С. 74-78. DOI: 10.18796/0041-5790-2024-4-74-78.
Brigida V.S., Dzhioeva A.K. Determination of construction step to artificial strips of backfilling fore reduce the emission of climatically active gases. Ugol'. 2024;(4):74-78. (In Russ.). DOI: 10.18796/00415790-2024-4-74-78.
6. Баловцев С.В., Скопинцева О.В., Куликова Е.Ю. Оценка влияния тяжелых углеводородов на аэрологические риски аварий в угольных шахтах // Устойчивое развитие горных территорий. 2023. Т. 15. № 2. С. 234-245. DOI: 10.21177/1998-4502-2023-15-2-234-245. Balovtsev S.V., Skopintseva O.V., Kulikova E.Yu. Assessment of heavy hydrocarbons influence on aerological risks in coal mines. Sustainable Development of Mountain Territories. 2023;15(2):234-245. (In Russ.). DOI: 10.21177/1998-4502-2023-15-2-234-245.
7. Рыбичев А.А. К вопросу оценки влияния тяжелых углеводородов на взрывчатость пылеметановоздушных смесей // Уголь. 2023. № 2. С. 41-44. DOI: 10.18796/0041-5790-2023-2-41-44. Rybichev A.A. On the question of evaluation of the influence of heavy hydrocarbons on the explosibility of dust-methane-air mixtures. Ugol'. 2023;(2):41 -44. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041 -5790-2023-2-41 -44.
8. Баловцев С.В., Скопинцева О.В., Коликов К.С. Управление аэрологическими рисками в подготовительных выработках угольных шахт // Устойчивое развитие горных территорий. 2022. Т. 14. № 1. С. 107-116. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-1-107-116.
Balovtsev S.V., Skopintseva O.V., Kolikov K.S. Aerological risk management in preparation mining of coal mines. Sustainable Development of Mountain Territories. 2022;14(1):107-116. (In Russ). DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-1-107-116.
9. Khayrutdinov A., Kongar-Syuryun Ch., Kowalik T., Faradzhov V. Improvement of the backfilling characteristics by activation of halite enrichment waste for non-waste geotechnology. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;867(1):012018. DOI: 10.1088/1757-899X/867/1/012018.
10. Ресурсосберегающие технологии освоения месторождений полезных ископаемых / Я. Рыбак, М.М. Хайрутдинов, Ч.Б. Конгар-Сюрюн и др. // Устойчивое развитие горных территорий. 2021. Т. 13. № 3. С. 405-415. DOI: 10.21177/1998-45022021-13-3-405-415.
Rybak Ya., Khayrutdinov M., Kongar-Syuryun C., Tyulyayeva Y. Resource-saving technologies for development of mineral deposits. Sustainable Development of Mountain Territories. 2021 ;13(3):405-415. (In Russ.). DOI: 10.21177/1998-4502-2021-13-3-405-415.
11. Malyukova L.S., Martyushev N.V., Tynchenko V.V., Kondratiev V.V., Bukhtoyarov V.V., Konyukhov V.Y., Bashmur K.A., Panfilova T.A., Brigida V.S. Circular mining wastes management for sustainable production of camellia sinensis (L.) O. Kuntze. Sustainability. 2023;15:11671. DOI: 10.3390/su151511671.
12. Бригида В.С., Мишулина С.И., Стась Г.В. Перспективные направления экологизации структурных элементов туристского продукта Краснодарского края (на примере транспортной составляющей) // Устойчивое развитие горных территорий. 2020. Т. 12. № 1. С. 18-25. DOI: 10.21177/1998-4502-2020-12-1-18-25. Brigida V.S., Mishulina S.I., Stas G.V. Perspective directions of"ecolo-gisation" of structural elements of a tourist product of Krasnodar Region (case study of transportation component). Sustainable Development of Mountain Territories. 2020;12(1):18-25. (In Russ.). DOI: 10.21177/1998-4502-2020-12-1-18-25.
13. Оценка параметров многостадийного гидравлического разрыва пласта с помощью 4D моделирования / И.И. Босиков, Р.В. Клюев, И.В. Силаев и др. // Горные науки и технологии. 2023. Т. 8. № 2. С. 141 -149. DOI: 10.17073/2500-0632-2023-01-97.
Bosikov I.I., Klyuev R.V., Silaev I.V., Pilieva D.E. Estimation of multistage hydraulic fracturing parameters using 4D simulation. Mining Science and Technology. 2023;8(2):141-149. (In Russ.). DOI: 10.17073/25000632-2023-01-97.
Authors Information
Klyuev R.V. - Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of Automation and Control, Moscow Polytechnic University, 107023, Moscow, Russian Federation, e-mail: [email protected]
P
Информация о статье
Поступила в редакцию: 12.10.2024 Поступила после рецензирования: 17.01.2025 Принята к публикации: 27.01.2025
Paper info
Received October 12,2024 Reviewed January 17,2025 Accepted January27,2025
ФEBPAЛЬ, 202S, "УГОЛЬ"
109
