Модуль 2. Лекция 4

Лекция 4. Метан угольных
пластов.
Преподаватель кафедры месторождений полезных
ископаемых Рыбин Илья Валерьевич
В Восточном Донбассе залежи угольного метана известны и прогнозируются во
всех угленосных районах.
Основные ресурсы установлены в Каменско-Гундоровском, Белокалитвинском,
Сулино-Садкинском и Тацинском геолого-промышленных районах. Здесь
газоносность углей максимальна.
Геотехнологические характеристики углегазовых месторождений Восточного
Донбасса позволяют рассчитывать на развертывание широкого фронта добычи метана.
К их числу относятся:
- высокая газоносность угольных пластов (до 25-30 и более м3/ т с.б.м.);
- значительная плотность разведанных ресурсов - до 150-200 млн. м3 /км2;
- высокие концентрации метана в газовой смеси (с глубины 300 м - до 90- 95%) и
малые содержания в нем вредных примесей; возможность одновременной добычи с
метаном углекислого газа на ряде участков;
- значительные внутрипластовые давления газа, обеспечивающие возможность
прямого использования его для хозяйственных целей;
- сравнительно небольшие глубины залегания разведанных высокогазоносных
угольных пластов (до 1000 м) при благоприятных в большинстве случаев рабочих
мощностях углегазовых коллекторов.
Извлечение метана из угольных пластов и вмещающих пород в промышленных
объемах необходимо производить с помощью буровых скважин, проводимых с земной
поверхности или из горных выработок.
В соответствии с существующими представлениями о состоянии системы «угольгаз» и проведенными собственными исследованиями (Труфанов и др., 2004.,
Гурьянов и др., 2000), метан в горно-породном массиве находится в следующих
формах:
- в свободном состоянии в трещинах и порах, при этом система подчиняется закону
Бойля-Мариотта;
- в состоянии твердого молекулярного раствора (адсорбции), причем количество
поглощенного газа прямо пропорционально его давлению и система подчиняется
закону Генри;
- в состоянии сконденсированной поверхностной фазы, т.е. концентрация газа у
границы раздела «уголь-газ» (физическая адсорбция);
- в виде непрочных химических соединений (клатратов), которые обычно
метастабильны и существуют лишь при больших давлениях.
Соотношения разных форм нахождения метана в углях существенно
различаются в зависимости от степени тектонической и метасоматической
подготовки угольного вещества. В спокойных, ненарушенных углях преобладает
адсорбированный метан, тогда как в так называемых зонах флюидизации
доминируют растворы газа, а в зонах «дилатации» угольных пластов (разрыхления
в зонах разрывных нарушений) - капсюлированный газ в виде клатратных
соединений. Эти различия влияют на интенсивность дегазации угольных пластов и
должны учитываться при разработке методов извлечения угольного метана и
других газов. Абсорбированный метан количественно намного превышает его
содержание в других формах.
Обладая значительными запасами метана и высокой газоотдачей,
метанообильные зоны флюидизации углегазовых месторождений являются
первоочередными опытно-промысловыми объектами для развертывания фронта
добычи метана в регионе.
Сдерживающими освоение угольного метана факторами в условиях Восточного
Донбасса являются, в частности, низкая газоотдача углей и углевмещающих пород,
трудности прогнозирования, поисков, разведки и подсчета запасов метана в
метанообильных зонах.
В качестве первоочередной задачи для Восточного Донбасса актуальным
является совершенствование существующих и разработка новых методов поисков
месторождений метана и технологий повышения газоотдачи угольных пластов и
углевмещающих пород в скважины, пройденные с поверхности.
Сотрудниками Ростовского госуниверситета разработана на уровне «ноу-хау»
новая методика геотехнологического картирования месторождений с выделением
метанообильных участков (зон). Методика опробована на Краснодонецком
месторождении, находящемся в Белокалитвинском районе, с выделением пяти
перспективных участков с общими ресурсами около 3 млрд. м3 угольного метана,
один из которых - Восточный - определен в качестве первоочередного проекта для
создания геотехнологического комплекса по извлечению и практическому
использованию углеводородных газов.
Традиционная технологическая схема извлечения, основанная на пассивной
дегазации угля скважинами, обеспечивает получение только около 40% всего
объема
газов,
находящихся
в
угольном
субстрате.
Представляется
нецелесообразным при организации добычи метана в области ориентироваться на
этот способ извлечения.
С целью повышения газоотдачи необходимо применять специальные методы
активного воздействия на газосодержащий коллектор (угольные пласты, породные
слои), направленные на повышение каптажной способности скважин и активизацию
газовыделений.
Определенной перспективностью характеризуются геомеханические методы
дегазации, разрабатываемые в ИПКОН РАН, ИГД им. А.А. Скочинского (Трубецкой и
др., 2000), использующие скрытую энергию напряженного состояния горного
массива. С этими методами сочетаются различные депрессионно-вакуумные
способы, применяющиеся в основном для дегазации выработанного пространства
угольных шахт.
Принципиально новые подходы к повышению газоотдачи выявились в связи с
получением новых данных о форме нахождения углеводородных газов в углях. Эти
данные получены в ходе детальных исследований молекулярной и
надмолекулярной структуры, физико-химических и электрофизических свойств
ископаемых углей из зон флюидизации (Труфанов и др., 2004).
Испытания новых технологий интенсификации газоотдачи угольных
пластов и вмещающих пород проведены на Краснодонецком углеметановом
месторождении с прогнозными ресурсами более 5 млрд. м3 метана. Здесь
выполнен комплекс полевых, опытно-экспериментальных и натурных
скважинных исследований по испытанию новых технологий добычи
углеводородных газов из угольных пластов и вмещающих пород. Пройдены
первые тестовые скважины глубиной от 200 до 600 м для дегазации
углепородных массивов.
С целью повышения газоотдачи использованы депрессионный метод
воздействия с применением специального пакерного снаряда, а также методы
гидроимпульсный и «обратного взрыва» (кавитационный) с использованием
агрегата ЦА-320 и подачей в пласт воды с тонкозернистым (марки К-0,016)
кварцевым песком под давлением до 75 атм. В ходе работ удалось произвести
гидрорасчленение
угольного
пласта
с
расчетным
радиусом
трещинообразования 75 м.
Опыт с применением интенсивных воздействий привел к выбросу
(фонтанированию) углегазовой смеси с высоким содержанием метана.
В пересчете на суточную величину дебит углеводородных газов
варьировал от 7800 до 25000 м3/сутки. Выделяющаяся газовая смесь
содержала от 85 до 95% метана.
Результаты
экспериментов
дают
основание
считать
разрешимым вопрос извлечения значительных количеств угольного
метана, и свидетельствует о перспективности продолжения работ
по совершенствованию этих технологий. Важной задачей является
определение оптимального режима воздействия на углегазовую
залежь. Проблемным остается вопрос обеспечения стабильности
дебита газовыделений.
Выполнены технико-экономические расчеты по созданию
первой очереди опытно-промышленного геотехнологического
комплекса на Восточном участке Краснодонецкого месторождения
(проект «Краснодонецк-углеметан 1»), на котором планируется
получать до 15 млн. м3 метана в год. Аналогичные комплексы
планируется создать на других перспективных участках с
получением ежегодно более 200 млн. M3 высококачественного
углеводородного сырья.
С
учетом
полученных
результатов
представляется
целесообразным продолжить исследования и разработки по
проблеме угольного метана Восточного Донбасса с целью его
практического использования и улучшения социальной и
экологической обстановки в районах ликвидируемых угольных
шахт.