Ефим Крейнин - Нетрадиционные углеводородные источники: новые технологии их разработки. Монография

• Название: Нетрадиционные углеводородные источники: новые технологии их разработки. Монография
• Автор: Ефим Крейнин
• Жанр: Химия

Современные тенденции развития мировой энергетики направлены на вовлечение в топливно-энергетический баланс нетрадиционных углеводородных источников: метансланцевых, угольных и газогидратных месторождений, а также высоковязкие нефти и битумы, извлечение которых пока проблематично. В монографии изложены инженерные и научные основы разработки нетрадиционных трудноизвлекаемых углеводородных источников, добыча которых стала приоритетной задачей современного мирового топливно-энергетического комплекса. Предлагаемые технические решения подтверждены многочисленными патентами Российской Федерации. Особый интерес представляет перспектива производства синтетических углеводородов (жидких и газообразных) из угля при его подземной газификации. Практическая реализация разработанных технологий позволит существенно расширить ресурсную базу экологически чистых органических топлив.

---

Очень эффективными для интенсификации метаноотдачи оказались способы физико-химической обработки созданных щелей гидравлического разрыва в угольном пласте [31]. В качестве рабочих жидкостей применялись химически-активные растворы (например, соляная кислота), поверхностно-активные вещества, а также растворы комплексов.

Опыт физико-химического воздействия на угольные пласты Карагандинского и Донецкого угольных бассейнов показал следующее:

• воздействие соляной кислоты повышает метаноотдачу на 25–35 %, по сравнению с обычной скважинной вакуумной дегазацией, степень дегазации возрастает до 40–50 %;

• последовательное воздействие на угольный пласт растворов соляной кислоты и поверхностно-активных веществ повышает метаноотдачу на 50–60 %, а степень извлечения метана возрастает до 60–70 %.

В настоящее время идет поиск и апробирование новых методов повышения метаноотдачи угольных пластов как при шахтной (предварительной), так и при промысловой (заблаговременной) дегазации метаноугольных месторождений. К этим методам следует отнести: протяженные горизонтальные скважины, волновое и вибрационное воздействие на угольный пласт, закачка в метаноносный пласт инертных газов (углекислого газа, азота), а также другие методы.

Работы по промысловой (заблаговременной) дегазации угольных пластов в Российской Федерации только начинаются, в то время как в США, Австралии, Китае, Индии, Польше и других странах они находятся на промышленной стадии.

1.4.1. Экспериментальный опыт в Кузбассе

Первые экспериментальные работы по обоснованию промышленной добычи метана из угольных пластов Кузбасса были начаты ОАО «Газпром» в 2001 г. В результате проведенных геолого-разведочных работ наиболее перспективными для добычи метана были признаны Талдинская и Нарыкско-Осташкинская площади [15].

Первые четыре экспериментальных скважины были пробурены в 2003–2004 гг. на Талдинской синклинали, а в 2008 г. Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых (ГКЗ «Роснедра») утвердила первые запасы метана по промышленным категориям С1 + С2 в количестве 45 млрд м3 [32].

Основные характеристики метаноугольной толщи:

• угленосность – от 5 до 12 %;

• метаноносность – до 25 м3/т;

• плотность ресурсов метана – 2,0–2,5 млрд м3/км2;

• газопроницаемость угольных пластов – 0,001–0,02 мкм2.

На рис. 4 представлен геологический разрез по одной из экспериментальных скважин (УМ-1.1). Как правило, в каждой скважине вскрывалось 3–5 угольных пластов, в каждом из которых проводили гидравлический разрыв с закачкой твердого пропанта в количестве от 8 до 20 т.

В процессе пробного освоения экспериментальных скважин на Талдинском метаноугольном месторождении были отработаны основные технологические этапы:

• бурение и обустройство метаноугольных скважин;

• процесс и последовательность гидравлического разрыва нескольких угольных пластов;

• откачка подземных вод и понижение их динамического уровня;

• извлечение угольного метана и его промысловая подготовка;

• варианты использования добытого метана.

За два года (2010–2011 гг.) эксплуатации 7 экспериментальных скважин было извлечено 11 млн м3 метана.

На Нарыкско-Осташкинской площади в течение 2011–2012 гг. бурили первые промысловые скважины (30 скважин, в соответствии с проектом) и в дальнейшем планируют их промышленную эксплуатацию.

Рис. 4 – Геологический разрез по экспериментальной скважине УМ-1.1

1.5. Технологии интенсифицированного извлечения метана

Для интенсификации притока метана к дегазационным скважинам до 10–20 тыс м3/сут. нужны новые технологии воздействия на метаноугольные пласты.

Если шахтную дегазацию осуществляют в основном скважинами, пробуренными из шахтных выработок, то при заблаговременной дегазации добычные скважины бурят с поверхности земли. При этом в первом случае угленосный массив уже частично разгружен, а во втором – не разгружен. Статистика аварий свидетельствует о том, что опережающая шахтная дегазация не гарантирует безопасности труда шахтера. На наш взгляд, только интенсивная заблаговременная дегазация угольного пласта (за несколько лет до шахтной разработки) способна обезопасить дальнейшую его шахтную выемку. Тем более что, в соответствии с американскими данными, при заблаговременной дегазации степень извлечения метана из угольных пластов достигает 80–90 %.

Ниже представлены некоторые новые технологии интенсифицированного извлечения метана, которые используют в основном при заблаговременной дегазации угольного пласта.

Большая часть угольного метана (75–80 %) находится в сорбированном состоянии, и главная задача для его извлечения заключается в разрыве прочной и устойчивой физико-химической связи «уголь-метан», что возможно только при интенсивном разупрочнении угленосной толщи (прежде всего, угольного пласта) и его разгрузке. В связи с этим, на наш взгляд, много практически полезного по созданию в угольном пласте искусственных коллекторов (микро- и макроразмеров) как необходимых конструктивных элементов подземных газогенераторов накоплено в подземной газификации угля. И задача метаноугольной подотрасли – максимально использовать этот накопленный инженерный потенциал.

1.5.1. Гидравлический разрыв угольного пласта

Первые эксперименты по разупрочнению (разрыву) угольного пласта были проведены в 1954 г. на Лисичанской станции «Подземгаз», на пласте L6, на глубине 150 м [33].

Естественная газопроницаемость угольного пласта на этой глубине составляла всего1,5 мД, и, в соответствии с теорией течения дутья в неизменяемой среде, для нагнетания в вертикальную скважину 150–200 нм3/ч воздуха потребовалось бы давление в сотни атмосфер. При давлении же 2,0–3,0 МПа приемистость скважины составляла лишь 10–20 нм3/ч, и поток дутья между соединяемыми вертикальными скважинами был настолько мал, что противоточное перемещение очага горения либо вообще было невозможно, либо затянулось бы на очень длительное время.

Однако в данном случае при давлении 4,2–4,5 МПа было зафиксировано резкое увеличение приема дутья скважиной, в соответствии с рис. 5. Под действием давления, немного превышающего давление вышележащих горных пород на глубине 150 м, происходит искусственное расширение естественных микротрещин и микропор. Это явление было названо «разрывом угольного пласта».

Рис. 5 – Зависимость приема дутья скважиной от давления: 1 – экспериментальная кривая; 2 – расчетная кривая

Начиная с 1956 г., при подземной газификации угольных пластов стали применять их разрыв с помощью жидкостей и закрепление созданных щелей кварцевым песком [34, 35].

Таким образом, Всесоюзный научно-исследовательский институт использования газа в народном хозяйстве (до 1966 г. – Всесоюзный научно-исследовательский институт подземной газификации угля) впервые в мировой практике в 1954 г. начал применять пневматический и гидравлический разрыв угольного пласта с целью его разупрочнения и существенного повышения газопроницаемости.

Первое опробование процесса гидроразрыва угольного пласта в Кузбассе было проведено в 1960 г., на Южно-Абинской станции «Подземгаз» (на чистой воде и без песка). На опытном газогенераторе № 4 было пробурено пять вертикальных скважин на пласт «VI Внутренний» и на глубину 240 м [10]. Одной из основных целей эксперимента было соединение всех пяти скважин в один канал.

Гидроразрыв угольного пласта на этой глубине, как правило, начинался при давлении 8,0–8,5 МПа. График зависимости расхода воды от давления ее нагнетания аналогичен кривым на рис. 5.

Для иллюстрации процесса гидроразрыва угольного пласта «VI Внутренний» на рис. 6 представлено изменение основных его параметров на одной из скважин.

Рис. 6 – Изменение давления и расхода воды во времени при гидроразрыве угольного пласта «VI Внутренний»

Через 2 часа давление нагнетания воды стало падать, а расход – расти. Щель гидроразрыва достигла соседней открытой скважины, удалённой на 25 м от нагнетательной скважины. По прошествии 3 часов давление нагнетания упало практически до нуля, а темп закачки вырос с 200 до 700 л/мин

Механизм и развитие процесса гидравлического разрыва угольного пласта водой целесообразно рассмотреть на рис. 7.

Рис. 7 – Зависимость расхода воды, нагнетаемой в угольный пласт, от давления

Здесь представлены параметры процесса нагнетания воды через одну из скважин в угольный пласт «VI Внутренний», имеющий на глубине 240 м мощность 1,8 м и газопроницаемость 4–5 мД. С увеличением количества воды, нагнетаемой в скважину, росло давление нагнетания. Однако характер этой зависимости был различным по участкам графика. Можно выделить три характерных участка.