О возможности повышения газоотдачи угольных пластов

О возможности повышения газоотдачи угольных пластов

О возможности повышения газоотдачи угольных пластов на основе управления геомеханическим состоянием углевмещающей толщи Энергетической стратегией России на период до 2020 г., в частности, предусматривается:
• разработка и внедрение новых эффективных экологически безопасных технологий использования нетрадиционных (газогидраты, метан угольных месторождений и др.) ресурсов углеводородного сырья;
• техническое обеспечение промышленной утилизации шахтного метана;
• разработка новых технологий и оборудования для эффективной дегазации угольных пластов.
Указанные задачи приобретают особую остроту в связи с подписанием Российской Федерацией в 2004 г. Киотского протокола, направленного на сокращение выбросов в атмосферу Земли вредных газов, в том числе и метана. Основным направлением решения этих задач является разработка и промышленное освоение перспективных способов интенсификации газоотдачи угольных пластов, являющейся важнейшим фактором повышения эффективности дегазации угольных шахт и заблаговременного извлечения (промысловой добычи) угольного метана.
Как известно, высокогазоносные угольные (метаноугольные) месторождения отличаются от традиционных месторождений природного газа тесной сорбционной связью метана с угольным веществом и низкой газопроницаемостью угольных пластов, существенно затрудняющих решение вопросов дегазации угольных шахт и организации промышленного освоения ресурсов угольного метана, этого эффективного, экологически чистого топлива [1].
В этой связи основное внимание многих ученых и специалистов угольной промышленности в последние годы было сосредоточено на исследованиях и разработках, посвященных вопросам стимулирования газоотдачи угольных пластов.
На сегодняшний день разработано большое количество различных технических предложений по интенсификации газоотдачи метаноносных угольных пластов, основывающихся на применении различных методов техногенного воздействия на угольный пласт (гидравлических, механических, физико-химических, микробиологических и т.д.) [2]. Однако большинство из них не находит практического применения из-за незначительной эффективности, сложности, высокой трудоемкости и стоимости проведения работ, а также ряда других причин.
Поэтому задача интенсификации газоотдачи газоносных угольных пластов по-прежнему остается весьма актуальной.
Проведенные научные исследования, опыт дегазации угольных шахт и заблаговременного извлечения (промышленной добычи) угольного метана свидетельствуют, что на газоотдачу пластов влияет большое количество разнообразных природных и техногенных факторов. Причем наибольшее влияние оказывают следующие факторы:
1. Строение и свойства газонасыщенных угольных пластов и угольного вещества.
2. Природная газопроницаемость угольного пласта.
3. Поровое давление газа в пласте.
4. Напряженно-деформированное состояние угольного пласта.
5. Обводненность углевмещающей толщи и влажность угля.
6. Тектоника месторождения и наличие в угольных пластах специфических зон (флюидоактивных, повышенной трещиноватости, пониженной напряженности и т.п.).
7. Температура угля и вмещающих пород.
Сложность решения задачи стимулирования газоотдачи угольных пластов и составляющего их газонасыщенного угольного вещества заключается в большом разнообразии их строения, геологических и петрографических характеристик, физико-механических и коллекторских свойств [3,4]. Фундаментальные исследования природы существования и механизма деструкции системы «уголь-газ», выполненные в ИПКОН РАН [5,6] показали, что угольное вещество обладает способностью накапливать метан в различных формах. При этом было установлено, что газ, находящийся в свободном состоянии внутри пор, трещин и других дефектов сплошности угля в естественных условиях его залегания составляет 2-12 %; газ, адсорбированный на поверхностях дефектов сплошности – 8-16 %;
газ, распределенный в межмолекулярном пространстве (твердый газоугольный раствор) – 70-80 %; химически сорбированный газ – 1-2 %; газ в клатратоподобных структурах – 1-3 % [5].
Неразгруженный от горного давления угольный пласт представляет собой газоносную пористую систему с иерархической структурой и частично скрытой, частично явной природной нарушенностью (трещиноватостью). Эта среда разбита на блоки или подобного рода структурные элементы (в зависимости от масштаба это могут быть кристаллиты, сорбционные частицы, суперсорбционные частицы и т.п.). Разгрузка такой среды от горного давления приводит к раскрытию природных трещин и объединению их в фильтрационные каналы, что, в свою очередь, увеличивает количество десорбированного метана и способствует его миграции в дегазационную (добычную) скважину. При этом выделившийся метан является фактором, стимулирующим развитие трещиноватости угля. Разрыв микроструктурных связей в угольном веществе и образование наведенных микротрещин осуществляется за счет энергии межмолекулярного отталкивания молекул метана, которая определяет поведение этих молекул на коротких дистанциях, при этом разрыв связей является ключевым явлением процесса трансформации микроструктуры природного угля.
Эти данные доказывают, что сорбированный в угле газ обладает потенциальной энергией, ранее не учитываемой при анализе механизма деструкции системы «уголь-метан» [6]. Таким образом, газовыделение метана в горную выработку (скважину) является результатом распада системы «уголь-метан» за счет изменения внешних термодинамических условий, в которых находится угольный пласт.
Основными факторами, определяющими массоперенос метана в угольных пластах, являются их газопроницаемость и пластовое давление газа.
Газопроницаемость угольных пластов принято подразделять на природную и техногенную (искусственную). Природная газопроницаемость угольного пласта зависит от его строения (наличие породных прослойков и минеральных включений), текстуры и слоистости угля, системы трещиноватости и глубины залегания.
Проведенный анализ геологических характеристик метаноносных угольных месторождений показал, что газопроницаемость углей и вмещающих горных пород обусловлена, главным образом, их трещиноватостью, при этом максимальная проницаемость угля в пластах совпадает с направлением основной системы эндогенных трещин и трещин отрыва экзогенного происхождения. Возрастание в угле содержания витринита, отличающегося от других петрографических компонентов большей хрупкостью, приводит к значительному увеличению трещиноватости.
Приведенные данные указывают на возможность предварительной оценки фильтрационных свойств угольных пластов по петрографическим особенностям углей и по характеру развитой в них трещиноватости [7]. Опыт дегазации угольных шахт свидетельствует, что с увеличением глубины залегания разрабатываемых пластов ее эффективность снижается вследствие возрастания горного давления и напряженного состояния пласта.
Искусственная газопроницаемость угольного пласта – проницаемость, образовавшаяся в результате техногенного воздействия на угольный пласт или горный массив за счет нарушения его сплошности (проходка выработки, бурение скважины), изменения напряженно-деформированного состояния (например, подработка-надработка пласта) или других искусственных воздействий.
Природная газопроницаемость неразгруженных от горного давления угольных пластов составляет в среднем (0,5-5)10-3 мД [5]. Замеренная проницаемость угольных пластов Талдинской и Нарыкской площадей Кузбасса (по данным исследования пилотных скважин) достигает 30 мД и более. Зарубежный опыт свидетельствует, что замеренная проницаемость угольных пластов, намечаемых к промышленному извлечению (добыче) метана, должна быть не менее 5 мД [8].
Следует отметить, что на техногенную газопроницаемость угля большое влияние оказывает прочность (крепость) угля, определяющая его способность к образованию наведенной (искусственной) трещиноватости, и напряженно-деформированное (геомеханическое) состояние угольного пласта. Напряженно-деформированное состояние газоносного угольного пласта определяется:
- видом напряжений, действующих в пласте (сжатие, растяжение, сдвиг);
- величиной напряжений (статического и эффективного), определяемых горным давлением и давлением газа;
- видом «стеснения» угольного пласта (мягкое или жесткое), зависящего от условий залегания пласта в угленосной толще, прочности и мощности вмещающих пород;
- тектоникой месторождения и рядом других факторов.
Влияние напряженного состояния угольного пласта на его газопроницаемость многократно подтверждено экспериментально, в частности, в зоне опорного давления разрабатываемого угольного пласта газопроницаемость угольного массива может уменьшаться в десятки и сотни раз [5].
Свойства горных пород в массиве существенно зависят от конкретных условий их залегания, степени неоднородности и анизотропности. Наряду с этим значительную роль играют следующие факторы:
мощность, характер и формы залегания породных тел, их механические свойства, слоистость, чередуемость, степень жесткости или пластичности, гидрогеологические условия различных участков массива и т.д.
Исключительно большое влияние на свойства и поведение горных пород в массиве оказывает взаимное расположение слоев с различными механическими свойствами.
Одни и те же слои пород, расположенные во вмещающих породах с различными свойствами, ведут себя при деформировании совершенно различно. Так, угольные пласты ведут себя как жесткие тела в толще пластичных глинистых пород, но пластически деформируются, если расположены в толще более жестких пород [9].
Эти особенности свойств и поведения горных пород, слагающих углевмещающие толщи, приобретают важное значение при выборе способов дегазации угольных пластов и заблаговременного извлечения (добычи) угольного метана.
До последнего времени в практике освоения угольных месторождений при проведении их детальной геологической разведки углевмещающая толща месторождений изучалась не полностью (как по глубине залегания пластов, так и по их характеристикам), ограничиваясь, как правило, данными, необходимыми для обоснования параметров будущего угледобывающего предприятия. Это подтверждает необходимость детального изучения геологического строения и характеристик газоносного горного массива и учета их влияния на напряженнодеформированное состояние расположенных в нем угольных пластов [10].
Для восполнения имеющегося пробела в данной области ИПКОН РАН проведены обобщение и анализ геологических материалов о строении и геологических характеристиках высокогазоносных углевмещающих толщ и угольных пластов основных угольных бассейнов России, а также Карагандинского бассейна [7]. Результаты выполненного анализа позволили установить, что основная часть углеметановых месторождений представляет из себя мощные углевмещающие толщи (в многие сотни метров), сложенные десятками угольных пластов и пропластков различной мощности, в основном пологого и наклонного залегания, с высокой метаноносностью, которые по строению, составу и свойствам слагающих их горных пород можно подразделить на 6 основных типов:
1. Глинистый комплекс пород с пластами угля средней мощности.
2. Глинистый комплекс пород с пластами угля средней мощности и мощными.
3. Преимущественно глинистые породы с включением слоев песчаников и пластов угля средней мощности.
4. Преимущественно песчаники с включением слоев глинистых пород и угольных пластов средней мощности.
5. Преимущественно песчаники с включением слоев глинистых пород и мощных угольных пластов.
6. Глинистый комплекс пород с включением слоев песчаников и мощных угольных Углевмещающие толщи практически всех анализировавшихся участков имеют в своем составе водоносные горизонты, приуроченные, как правило, к породам кровли угольных пластов. Количество водоносных горизонтов, мощность обводненных пород, режим подземных вод и их удельный дебит различаются по участкам.
Обобщение и анализ материалов о геологических характеристиках 1480 высокогазоносных угольных пластов вышеназванных угольных бассейнов позволили разработать типизацию этих пластов. Ее применение при оценке конкретных метаноугольных месторождений дает возможность прогнозировать способность угольных пластов этих месторождений к газоотдаче и выбирать наиболее эффективные методы ее стимулирования.
Из опыта работы угольных шахт установлено, что от того, как успешно решаются вопросы управления геомеханическим и газодинамическим состоянием горного массива, зависят эффективность и безопасность ведения горных работ, а также решение задач по дегазации шахт, борьбе с горными ударами, внезапными выбросами угля и газа и другими негативными последствиями. Одним из наиболее эффективных способов борьбы в шахтах с вышеназванными газодинамическими явлениями является использование предварительной отработки так называемых защитных пластов, основанной на применении эффекта «подработки-надработки» сближенных пластов [11].
В основе теории и практики применения защитных пластов лежат важнейшие закономерности сдвижения и деформирования горных пород при разработке угольных месторождений [12]. Как известно, отработка угольного пласта вызывает обрушение, сдвижение и деформирование вышележащих пород; упругое восстановление и подвижки вдоль плоскостей ослабления испытывают также и породы, подстилающие пласт. Указанные деформации и перемещения пород вокруг горной выработки распределяются в соответствии с объективными законами механики горного массива, стремящегося к установлению нового состояния равновесия.
Проведенные исследования и производственный опыт показали, что умелое использование закономерностей изменения напряженно-деформируемого состояния под- надрабатываемого горного массива позволяет эффективно решать вопросы дегазации пластов и предупреждения газодинамических явлений. Газодинамическое состояние защищаемого пласта при его подработке и надработке определяется характером изменения напряженно-деформированного состояния горного массива междупластья и интенсивностью дегазации пласта по эксплуатационным трещинам, образующимся в толще пород в результате их подработки и надработки.
Сдвижение горных пород выше зоны обрушения происходит в форме последовательного прогиба слоев с разрывом и без разрыва сплошности. При изгибе подрабатываемого породного слоя в нем образуются как зоны сжатия, так и зоны растяжения. При определенных условиях в зонах растяжения в породных слоях появляются быстро затухающие трещины разрыва, которые, как правило, между собой не соединяются.
При изгибе подрабатываемых и (в значительно меньшей степени) надрабатываемых породных слоев, залегающих за пределами зоны интенсивного развития трещиноватости пород с разрывом их сплошности, могут образовываться полости расслоения пород, которые при определенных условиях заполняются газом, десорбировавшимся из частично разгруженных от горного давления угольных пластов. Скорость десорбции газа из угля находится в тесной зависимости от величины зияния и скорости развития газопроводящих трещин эксплуатационного генезиса.
Раскрытие в породно-угольном массиве трещин и макропор и появление эксплуатационных трещин с образованием системы газопроводящих каналов нарушают состояние динамического равновесия системы «уголь-метан» в под- и надрабатываемых пластах, вызывая десорбцию метана из угля. Абсолютная величина давления метана в подзащитном угольном пласте, определяющая остаточную газоносность его угля, зависит (при прочих равных условиях) от степени газопроницаемости нарушенной эксплуатационными трещинами междупластовой породной толщи.
Анализ изложенных закономерностей изменения геомеханического состояния углевмещающей толщи и угольных пластов при их подработке – надработке позволяет сделать вывод о возможности повышения их газоотдачи при решении вопросов дегазации шахт и промышленного извлечения угольного метана.
Продолжение см. в ближайших номерах журнала «УГОЛЬ» Список литературы 1. Трубецкой К.Н., Стариков А.В., Гурьянов В.В. Добыча метана угольных пластов – перспективное направление комплексного освоения георесурсов угленосных отложений //Уголь. – 2001.- № 6. – С.36-38.
2. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений – М.: МГГУ, 1996. – 442с.
3. Матвиенко Н.Г., Зимаков Б.М., Гурьянов В.В., Хрюкин В.Т., Натура В.Г. Оценка коллекторских свойств угольных пластов применительно к условиям промысловой добычи метана (Сб. «Современные проблемы шахтного метана») – М.: МГГУ, 1999.
– С.151-157.
4. Одинцев В.Н., Гурьянов В.В. Влияние поровой воды на процесс трещинообразования в газонасыщенных угольных пластах / Горный информационно-аналитический бюллетень М.: МГГУ, 2004. – №8. – С.101-105.
5. Айруни А.Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах – М.: Наука, 1987. – 310с.
6. Бобин В.А., Гурьянов В.В., Кузнецов С.В., Одинцев В.Н. и др. Физические основы скважинной добычи метана из неразгруженных угольных пластов (Горный информационно-аналитический бюллетень) М.: МГГУ, 2000. – № 1. – С.142-144.
7. Гурьянов В.В., Новикова И.А. Обобщение и анализ геологических характеристик высокогазоносных угольных пластов /Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2004. – № 8. – С.179-184.
8. Золотых С.С., Карасевич А.М. Проблемы промысловой добычи метана в Кузнецком угольном бассейне – М.: Изд-во ИСПИН, 2002. – С.71-76
9. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород – Л.: Недра, 1989. – С.48-49.
10. Гурьянов В.В. О разработке моделей коллекторов метана газонасыщенных углевмещающих толщ / Горный информационно-аналитический бюллетень – М.: МГГУ, 2004. – № 9. – С.135-141.
11. Защитные пласты – Л.: Недра, 1972.
– 424 с. (ВНИМИ).
12. Иофис М.А. Научные основы управления деформационными и дегазационными процессами при разработке полезных ископаемых – М.: ИПКОН АН СССР, 1984. – 230 с.

равиль (не проверено)
большое спасибо

большое спасибо