Интенсификация добычи метана на метаноугольных месторождениях путем проведения горизонтальных скважин и вибросейсмического воздействия на угольные пласты

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева"

Кафедра Теоретической и геотехнической механики Пояснительная записка к дипломной работе Интенсификация добычи метана на метаноугольных месторождениях путем проведения горизонтальных скважин и вибросейсмического воздействия на угольные пласты студента Бобровой Кристины Андреевны Заведующий кафедрой д.т.н. проф. Хямяляйнен В.А.

Руководитель работы д.т.н. проф. Иванов В.В.

Кемерово 2014

Задание по дипломной работе Студенту группы ФП-081 Бобровой Кристине Андреевне

1. Тема проекта «Интенсификация добычи метана на метаноугольных месторождениях путем проведения горизонтальных скважин и вибросейсмического воздействия на угольные пласты»

2. Срок сдачи студентом законченного проекта

3. Исходные данные к проекту Отчёт по преддипломной практике, данные о методах интенсификации добычи метана на метаноугольных месторождениях ООО «Газпром добыча Кузнецк», краткие сведения ООО «Газпром добыча Кузнецк», карты блоковых структур для исследуемого месторождения.

4. Объем и содержание пояснительной записки (основных вопросов общей и специальной части) и графического материала дипломная работа должна быть изложена на 60−80 страницах машинописного формата, состоять из двух частей: обшей (характеристика ООО «Газпром добыча Кузнецк») и специальной (интенсификация добычи метана на метаноугольных месторождениях путем проведения горизонтальных скважин и вибросейсмического воздействия на угольные пласты)

5. Консультанты по проекту (с указанием относящихся к ним разделов проекта)

6. Основная литература и рекомендуемые материалы

1. Золотых С. С., Карасевич А. М. Проблемы промысловой добычи метана в Кузнецком угольном бассейне. — М.: Издательство «ИСПИН», 2002. — 570 с.

2.. Зайденварг В. Е., Айруни А. Т., Галазов Р. А. и др. Комплексная разработка метаноносных угольных месторождений. — М., 1993. — 143с.

3. Малышев Ю. Н., Трубецкой А. Н., Айруни А. Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. — М.: Издательство Академии горных наук, 2000. — 519с.

4. Карасевич А. В., Хрюкин В. Т., Зимаков Б. М. и др. Кузнецкий бассейн крупнейшая сырьевая база промысловой добычи метана из угольных пластов М. Издательство Академии горных наук, 2001, 62 с.

5. Хрюкин В. Т., Сторонский Н. М., Швачко Е. В., Васильев А. Н., Кирильченко А. В., Малинина Н. С., Митронов Д. В. Типизация метаноугольных месторождений (на примере кузбасса) с оценкой возможности применения различных технологий интенсификации газоотдачи угольных пластов.

6. Павленко М. В. Извлечение метана из угольных пластов с использованием вибрационного воздействия. — М.: Издательство Московского Государственного Горного Университета, 2004. — 155с.

7. Курленя М. В., Сердюков С. В. Нелинейные эффекты при излучении и распространении вибросейсмических сигналов в массиве горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 1999. — № 2. — С. 3−10.

Календарный план студента-дипломника

1. Горный институт

2. Специальность 130 401 «Физические процессы горного или нефтегазового производства»

3. Кафедра Теоретической и геотехнической механики

4. Фамилия, имя, отчество (полностью) Боброва Кристина Андреевна

5. Тема дипломной работы Интенсификация добычи метана на метанугольных месторождениях путем проведения горизонтальных скважин и вибросейсмического воздействия на угольные пласты

6. Руководитель проекта д.т.н. проф. Иванов Вадим Васильевич Календарный рабочий план

На основании результатов просмотра дипломного проекта, студента Боброву К. А. кафедра считает возможным допустить его к защите в ГАК.

Реферат Дипломная работа состоит из 2 частей, объемом 71 страница, включая 11 рисунков, 3 таблицы, 23 источника.

Цель дипломной работы — разработка метода интенсификации добычи метана на основе вибросейсмического воздействия на блоковые структуры угольных массивов и бурения горизонтальных скважин по пластам.

Объект исследования: ООО «Газпром добыча Кузнецк» .

Ключевые слова: метан, скважина, угольный пласт, блоковые структуры, вибрационное воздействие, горизонтальные скважины.

В первом разделе дипломной работы приведен анализ геотехнологических особенностей объекта, обоснование цели и задач исследований.

В данной дипломной работе предлагается комбинированный метод интенсификации добычи метана на метаноугольных месторождениях, включающий в себя метод вибросейсмического воздействия на угольные пласты и проведение горизонтальных скважин.

Во втором разделе описаны теоретические основы и экспериментальные исследованя технологии интенсификации добычи метана: бурение горизонтальных скважин и вибровоздействие на угольные пласты. Рассчитано дополнительное газовыделение при комбинированном использовании этих двух методов. Приведенный анализ выполненных примеров воздействия и апробированных технологий показал возможность успешного применения технологических схем с целью изменения состояния и свойств массива.

1. Анализ геотехнологических особенностей объекта, обоснование цели и задач исследований

1.1 Общая характеристика ООО «Газпром добыча Кузнецк»

1.1.1 Краткие сведения

1.1.2 Географо-экономические условия Нарыкско-Осташкинской площади

1.2 Описание геологического строения и физических свойств состояния массива горных пород

1.2.1 Литолого-стратиграфическая характеристика

1.2.2 Тектоника

1.2.3 Гидрогеологическая характеристика

1.2.4 Физико-механические свойства горных пород

1.3 Основные методы и технологии интенсификации газоотдачи угольных пластов

1.4 Выводы, цель и задачи исследования

2. Газовыделение из угольных пластов на основе комбинированного метода, включающего в себя воздействие на пласт вибросейсмическими источниками и проведение горизонтальных скважин

2.1 Основные термины, физические величины и их размерности

2.2 Использование вибросейсмического метода инициирования газовыделения из нетронутых угольных пластов

2.3 Вибрационное воздействие на угольные пласты как метод интенсификации добычи метана

2.3.1 Волновое воздействие на пласт

2.3.2 Теоретические основы вибровоздействия на угольные пласты

2.3.3 Экспериментальные исследования воздействия на угольный пласт

2.4 Горизонтальное бурение как метод интенсификации добычи метана

2.4.1 Технология бурения горизонтальных скважин

2.5 Построение блоковых структур 1−4 рангов для исследуемого месторождения ООО «Газпром добыча Кузнецк»

2.6 Теоретические исследования газовыделения при проведении горизонтальных скважин и вибрационном воздействии на угольные пласты и блоковые структуры Выводы Заключение Литература

Введение

Одним из основных факторов предопределяющих эффективную коммерческую добычу метана из угольных пластов как самостоятельного полезного ископаемого является выбор методов и определение параметров технологий интенсификации газоотдачи пластов соответствующих конкретным горно-геологическими условиям, разрабатываемых месторождений.

Основной задачей большинства применяемых технологий интенсификации газоотдачи угольных пластов является установление эффективной связи ствола добывающей скважины с природной системой трещин в угольном пласте, обеспечивающей интенсивный приток метана к скважине.

В связи с этим одними из перспективных методов такого рода воздействия является использование низкочастотных вибрационных колебаний. Вибрационное воздействие также находит применение для интенсификации добычи нефти, причем уже не только в полевых экспериментах, но и на промышленном уровне. В совокупности с горизонтальными скважинами метод вибросейсмического воздействия становится более усовершенствованным и позволяет значительно увеличить газоприток.

Кемеровская область может полностью покрыть свои потребности в газе за счет широкомасштабной добычи метана из угольных пластов, т. к. здесь можно обеспечить ежегодную коммерческую добычу до 15−17 млрд. м³ газа. Кроме того, добыча и использование газа улучшит экологическую обстановку в регионе, снизит газоопасность добычи угля в будущих шахтах и создаст новые рабочие места на газовых промыслах и газоперерабатывающих предприятиях.

1. Анализ геотехнологических особенностей объекта, обоснование цели и задач исследований

1.1 Общая характеристика ООО «Газпром добыча Кузнецк»

1.1.1 Краткие сведения

ООО «Газпром добыча Кузнецк» образовано 26 декабря 2008 года на базе своего исторического предшественника — ООО «Геолого-промысловая компания Кузнецк» — как 100-процентное дочернее предприятие ОАО «Газпром» .

В 2009 году предприятие выполнило комплекс работ по подготовке к пробной добыче метана в Кемеровской области.

В частности, на территории Талдинского угольного месторождения пробурена параметрическая углеметановая скважина, подтвердившая высокие фильтрационные свойства угольных пластов. Пробурены и осваиваются семь разведочных скважин. Построена сеть линейных сооружений (трубопроводов) от скважин к газосборному пункту и автомобильной газонаполнительной компрессорной станции (АГНКС).

Ведутся поисково-оценочные работы на следующем первоочередном участке — Нарыкско-Осташкинской площади. В 2010 году началась пробная эксплуатация скважин.

В соответствии с учредительными документами ООО «Газпром Добыча Кузнецк» может осуществлять следующие основные виды деятельности:

— поиск, разведку и добычу метана из угольных пластов и других углеводородов;

— подготовку технико-экономических обоснований разработки газовых промыслов;

— бурение разведочных, опытно-промышленных, эксплуатационных скважин и обустройство промыслов;

— строительство и эксплуатацию метаноугольных промыслов;

— транспортировку и реализацию метана на внутреннем рынке;

— проведение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и проектно-изыскательских работ, создание научно-технической продукции.

Перспективы и планы развития производства:

I этап — поисково-оценочные и геологоразведочные работы в пределах первоочередных площадей, включая пробную добычу метана и его поставки потребителям (2008;2010 гг.).

II этап — опытно-промышленная эксплуатация первоочередных площадей, поисково-оценочные и геологоразведочные работы на других площадях (2011;2013 гг.).

III этап — выход на промышленную добычу на первоочередных площадях; ввод в опытно-промышленную эксплуатацию других подготовленных участков и площадей.

Общее число запланированных эксплуатационных скважин при сроке их эксплуатации 20 лет составляет 1655 шт., объемы добычи газа, начиная с 2020 г. — 4 млрд куб. м в год.

1.1.2 Географо-экономические условия Нарыкско-Осташкинской площади

Нарыкско-Осташкинская площадь расположена в юго-восточной части Кузнецкого угольного бассейна, административно входит в состав Новокузнецкого района Кемеровской области.

По геологическим, географо-экономическим особенностям территория Кузбасса подразделяется на 25 геолого-промышленных районов. Нарыкско-Осташкинская площадь расположена в Ерунаковском геолого-экономическом районе (рисунок 1.1).

В угольных пластах Ерунаковского района сосредоточено около 3 трлн. м³ ресурсов метана (около 23% от ресурсов метана в угольных пластах Кузбасса), при площади района всего 1520 км² (8,4% от площади Кузбасса). В пределах района выделены угольные месторождения: Соколовское, Красулинское, Караканское, Северо-Талдинское, Талдинское, Тагарышское, Жерновское, Новоказанское, Ерунаковское, Кукшинское. Район активно осваивается угледобывающей промышленностью. Талдинское месторождение разрабатывается АО «Талдинский Углеразрез» мощностью около 2,5 млн. т угля в год. Проводятся подготовительные работы для подземной добычи угля на Соколовском и Кыргайском месторождениях. К настоящему времени в Ерунаковском районе детально разведано 6 площадей для открытых работ на общую мощность 74 млн. т. угля в год и три участка для подземной добычи на общую мощность 15 млн. т. угля в год. Горные отводы действующих и строящихся разрезов и шахт в ряде случаев находятся на верхних горизонтах площадей перспективных для промысловой добычи метана. Это Талдинская площадь, юго-западная часть Нарыкско-Осташкинской площади (участки Новоказанские) и Соколовское месторождение.

Действующие и строящиеся угледобывающие предприятия соединены автодорогами. От станции Ерунаково Кемеровской ж.д. до Талдинского углеразреза проложена железнодорожная ветка и автодорога с щебеночным покрытием.

В северной части Ерунаковского района (Соколовское месторождение) проходит магистральный газопровод 1020 мм Парабель-Юрга-Новокузнецк с пропускной способностью около 8 млрд. м³ в год. Поставки газа в Кемеровскую область в 1995 году составляли 5,6 млрд. м³, а в настоящее время стабилизировались на уровне около 4 млрд. м³.

Электроэнергией население, сельскохозяйственные предприятия и разрезы «Тадинский» и «Таёжный» снабжаются от Больше-Талдинской подстанции «Кузбассэнерго», а участок шахты им. Вахрушева — от Котинской подстанции, откуда шахтой подведена высоковольтная ЛЭП.

Промышленные центры — города Новокузнецк, Прокопьевск и Киселевск, находятся, соответственно в 65, 45, и 43 км к юго-востоку и югу от Нарыкско-Осташкинской площади.

В районе планируемых работ ближайшими населенными пунктами являются деревни Кыргай, Усть-Нарык, Георгиевка, Осиновка. Занятие основной части населения — зерновое сельское хозяйство и животноводство.

Рельеф района работ увалистый, абсолютные отметки водоразделов 290−389 м, долин 224−240 м, глубина расчленения достигает значений 105−165 м. Вершины водоразделов плоские, к северо-востоку постепенно переходят в пологие склоны (7−120), а к югу и юго-западу более крутые 15−200, иногда 30−400.

Наиболее крупным водотоком в районе работ является р. Томь. Кроме этого, район работ пересекает ряд небольших рек (Черновой Нарык, Еланный Нарык, Убик, Березовая) и ручьев (Кукша, Осиновка, Бугровка, Кедровка и др.). Долины рек, ручьев и крупных логов очень часто заболочены.

Ландшафт района лесостепной. Западная его часть почти полностью залесена сосняком (естественный лес и посадки), осиной, берёзой и кустарниковыми зарослями (рябина, калина, черемуха, акация). На остальной территории, залесены только долины логов и их склоны, особенно северные и северо-восточные. Восточная часть интенсивно залесена и заболочена. Лес таёжный, с буреломом и валежником. В поймах рек густые заросли кустарниковой растительности. Древесная растительность представлена елью, сосной, кедром, осиной, березой. Водораздельные части заняты под пахоту и сенокосы. Пахотные земли засеваются зерновыми культурами и травами.

Климат района резко континентальный. Холодная зима длится 5 месяцев с минимальными температурами до -49,20 ⁰С в декабре и январе. Мощность снежного покрова в зависимости от залесенности и рельефа местности колеблется от 0,3 до 2,0 м. Глубина промерзания почвы изменяется от 0,10−0,50 м на залесенных северных склонах с максимальным снежным покровом до 2,0−2,5 м на открытых южных склонах. В поймах логов и речек грунт, как правило, не промерзает. Среднегодовое количество осадков, по данным Красулинского метеопоста, составляет 510 мм. В летнее время их выпадает 60−65% от общего количества.

Ветры в районе преобладают юго-западные со средней скоростью 5−7 м/сек., иногда скорость их достигает значений 17−24 м/сек.

Рис. 1.1 — Обзорная географо-экономическая карта района работ.

1.2 Описание геологического строения, и физических свойств состояния массива горных пород

1.2.1 Литолого-стратиграфическая характеристика

В геологическом строении Нарыкско-Осташкинской площади принимают участие отложения палеозойского, мезозойского и четвертичного возраста. Палеозойские отложения представлены породами верхнего и среднего отделов пермской системы, выделяемые в кольчугинскую серию, мезозойские — породами триаса и юры, выделенными в абинскую и тарбаганскую серии соответственно. Породы палеозоя и мезозоя повсеместно перекрыты рыхлыми осадками четвертичного возраста.

Пермская система. Верхний и средний отделы.

Кольчугинская серия.

В соответствии с унифицированной схемой стратиграфического расчленения верхнепалеозойских отложений Кузбасса кольчугинская серия подразделяется на три подсерии: кузнецкую, ильинскую и ерунаковскую.

Кузнецкая подсерия (P₂kz)

Отложения подсерии скважинами разведочного бурения на Нарыкско-Осташкинской площади не вскрыты, а выходят на поверхность в соседнем Терсинском геолого-экономическом районе. Отложения подсерии непродуктивны, представлены песчаниками, алевролитами и аргиллитами с тонкими слоями гравелитов и единичными тонкими прослоями углей. Мощность подсерии в опорном разрезе по р. Томь в районе Новокузнецка 830−860 м.

Ильинская подсерия (P₂il)

Согласно перекрывает кузнецкую подсерию, подразделяется на казанково-маркинскую и ускатскую свиты.

Казанково-маркинская свита (P₂km) вскрыта в обнажениях по р. Томь и бурением в южной части Ерунаковского района. Представлена переслаиванием маломощных слоев песчаников тонкои мелкозернистых, алевролитов крупнои мелкозернистых, аргиллитов с многочисленными (до 60) прослоями каменных углей мощностью до 0,7 м. Мощность отложений в опорном береговом разрезе по р. Томь — 1000−1020 м.

Ускатская свита (P₂us) сложена переслаиванием алевролитов, песчаников, аргиллитов с пластами и тонкими пропластками каменных углей. Она характеризуется более продолжительными, по сравнению с казанково-маркинской свитой, циклами осадконакопления. Отложения свиты выходят на поверхность на юге и западе Ерунаковского района. Верхняя граница свиты проводится по кровле пласта 38. Мощность свиты изменяется от 500 м в северо-восточной до 900 м — в юго-западной части Ерунаковского района. В этом же направлении постепенно возрастает угленосность.

Ерунаковская подсерия (P₂₋₃er)

Согласно залегает на ильинской подсерии, охватывает верхнюю, наиболее продуктивную часть разреза кольчугинской серии, широко распространена на всей площади. Ерунаковская подсерия отличается от ильинской более мощными циклами осадконакопления: отдельные слои песчаников и алевролитов достигают 25−60 м, мощность седиментационных циклов и связанных с ними угольных пластов возрастает от стратиграфически нижележащих пластов к вышележащим. Подсерия подразделяется на ленинскую, грамотеинскую и тайлуганскую свиты.

Ленинская свита (P₂₋₃ln) выделяется в границах от кровли пласта 38 до кровли пласта 60. Они согласно залегают на нижележащих отложениях ускатской свиты. Отложения ленинской свиты, распространены в центральной и восточной части Нарыкской антиклинали и вскрыты скважинами на южном крыле Кыргай-Осташкинской синклинали (участки Новоказанские 1 и 2). Глубина погружения угольных пластов ленинской свиты в пределах Нарыкско-Осташкинской площади изменяется от выходов под наносы до 1800−2500 м.

По литологическому составу отложения ленинской свиты, представлены как глинистыми породами (алевролитами, реже аргиллитами), так и песчаниками, пользующимися значительным распространением в разрезе. Слои пород в межпластовых интервалах имеют мощность от 5 до 20 м.

Грамотеинская свита (P₃gr). Отложения свиты согласно перекрывают породы ленинской свиты и выделяется в следующих стратиграфических границах — от кровли пласта 60 до кровли пласта 78. На Нарыкско-Осташкинской площади отложения свиты, развиты на крыльях Нарыкской антиклинали и Кыргай-Осташкинской синклинали.

На южном крыле Кыргай-Осташкинской синклинали грамотеинская свита, вскрыта на полную мощность. Мощность её изменяется от 348 до 430 м, средняя — 378 м и, в общем, несколько увеличивается с запада на восток.

Для грамотеинской свиты характерна большая продолжительность циклов осадконакопления. Наиболее крупные из них приурочены к верхней части разреза, где отдельные слои песчаников и алевролитов достигают мощности 70 м. Литологический состав вмещающих пород непостоянен, как в широтном, так и в меридиональном направлениях наблюдается фациальная изменчивость осадков. Наибольшим распространением в отложениях свиты пользуются мелкозернистые алевролиты — 38,8%, затем песчаники — 35,2%, на долю крупнозернистых алевролитов приходится 13,3%. Аргиллиты, углистые породы и пачки переслаивания пород имеют подчинённое значение, а участие их не превышает 0,3 — 4,8%.

Тайлуганская свита (P₃tl). Отложения свиты завершают стратиграфический разрез верхнепалеозойских отложений Кузбасса. Отложения свиты распространены как на флангах, так и в центральной части Нарыкско-Осташкинской площади. Свита включает толщу осадков от кровли пласта 78 до контакта с мезозойскими отложениями, проведенного по слою отбеленных пород залегающих в пределах от 10−12 до 20 м выше кровли пласта 103. В пределах Нарыкско-Осташкинской площади отложения свиты вскрыты на полную мощность на южном крыле Кыргай-Осташкинской синклинали (участки Новоказанские 1 и 2) и на южном крыле Нарыкской антиклинали на Жерновском и Большереченском поисковых профилях.

В литологическом составе отложений свиты преобладают песчаники (20−42%) и алевролиты (25−38%), существенное значение имеют аргиллиты (17−19%) и угли (2,7−16%). Литологический состав вмещающих пород непостоянен, как в разрезе, так и на площади наблюдается фациальная изменчивость осадков. В целом, в нижней части разреза преобладают мощные слои песчаников, в верхней — алевролитов. Мощность отдельных слоев песчаников и алевролитов достигает 50 — 60 м. На западе площади в составе пород преобладают псаммитовые и пелитовые, а на востоке — алевритовые разности.

Триасовая система. Нижний-средний отделы.

Абинская серия (T₁₋₂ ab)

Верхнепалеозойские отложения без видимого несогласия перекрываются осадками абинской серии ранне-среднетриасового возраста. Эти отложения наиболее полно изучены на Жерновском поисковом профиле в месте максимального погружения Кыргай-Осташкинской синклинали. Граница с палеозойскими отложениями условно проводится по слою отбеленных пород, в 5−20 м выше последнего угольного пласта 103. В пределах района углового несогласия между мезозойскими и палеозойскими отложениями не установлено.

Разрез абинской серии представлен чередованием зеленовато-серых и бурых песчаников и алевролитов, часто с примесью туфогенного материала. Алевролиты имеют в разрезе толщи преобладающее значение.

Характерным для пород триаса является повсеместное включение цеолита. В нижней части разреза встречаются пластовые тела базальтов, мощностью более 20 м. Максимальная мощность вскрытой части разреза отложений триаса около 600 м.

Юрская система. Нижний-средний отделы.

Тарбаганская серия. (J₁₋₂ tb).

Отложения тарбаганской серии юрского возраста, трансгрессивно залегающие на осадках абинской серии, вскрыты в ядре и крыльях Кыргай-Осташкинской синклинали на Жерновском поисковом профиле. Мощность её здесь не превышает 270 м. В основании юрских отложений залегает базальный конгломерат мощностью до 2,0 м, представленный хорошо окатанной галькой изверженных пород. По литологическому составу юрские отложения представлены светло-серыми песчаниками различного гранулометрического состава с прослоями и линзами гравеллитов и конгломератов.

Четвертичная система.

Современные осадки распространены повсеместно. По генетическим признакам они подразделяются на аллювиальные отложения современных речных долин и покровные отложения водоразделов и склонов. Аллювиальные отложения выполняют долины современных рек, образуя русловые осадки, пойменные и надпойменные террасы и представлены галечником, гравием, песком, супесями, суглинками, илами.

Покровные отложения междуречий обычно представлены лессовидными суглинками, глинами, супесями. Мощность их изменяется от 2−5 м в поймах и долинах рек, до 40₆₀ м на водоразделах.

1.2.2 Тектоника

Тектоника как локальный фактор отражает условия залегания продуктивных свит и продуктивных групп угольных пластов на участках и площадях метаноугольных месторождений, углы падения, интенсивность разрывных нарушений, трещиноватость пластов, геодинамическое состояние угленосных массивов (наличие или отсутствие зон повышенной проницаемости пластов).

Тектоника участков и площадей оказывает влияние на выбор местоположения промысловых полигонов и их конфигурацию, выбор мест заложения тестовых и промысловых скважин, дебиты и масштабы добычи метана из угольных пластов.

Тектоническое строение Нарыкско-Осташкинской площади определяется её расположением в Центральной части Кузнецкого бассейна на границе с Присалаирской зоной линейной складчатости. Основные складчатые структуры — Нарыкская антиклиналь, Кыргай-Осташкинская синклиналь имеют субширотное направление. С запада и юга складчатые структуры осложнены крупными разрывными нарушениями — Воробьевским взбросом и нарушением I.

Пликативные структуры.

Кыргай-Осташкинская синклиналь расположена в центральной части района, от Жерновской антиклинали отделена взбросом I. Кыргай-Осташкинская синклиналь это крупная структура, размеры которой в Ерунаковском районе по длинной оси (ориентированной в субширотном направлении) составляют 19 км, а по короткой — 10 км. Падения пластов в южном крыле 15−20 град., в северном-30−40 град. Синклиналь выполнена полным разрезом угленосных отложений кольчугинской серии, мощность которых составляет около 2000 м, перекрытыми (в ядре синклинали) триасовыми и юрскими отложениями общей мощностью около 600−650 м.

Нарыкская антиклиналь — крупная брахиформная структура, ориентирована параллельно Кыргай-Осташкинской синклинали, имеет субширотную ориентировку осевой поверхности расположенная в северо-восточной части Ерунаковского района.

Антиклиналь имеет длину 35 км и ширину 10 км, амплитуда по кровле ерунаковской подсерии составляет более 1500 м. Простирание длинной оси складки — субширотное. Северное крыло пологое (18−30°), южное — более крутое (30−75°), участками флексурообразное и осложнённое разрывным нарушением, которое сопровождается рядом апофиз.

Дизъюнктивные структуры

Нарушение I — это крупное разрывное нарушение, протягивающееся по южному крылу Кыргай-Осташкинской синклинали и далее на восток и юго-восток через Маркино-Никольскую антиклиналь, установленное по зоне трещиноватых раздробленных пород. Мощность зоны дробления около 350 м, а амплитуда смещения колеблется в пределах 150−500 м. Как правило, этот дизъюнктив сопровождается зеркалами скольжения с преобладающими углами падения сместителя (порядка 60−85⁰).

Характерным для этого нарушения является его северо-восточное падение и изменчивость простирания. Здесь, очевидно, сказывается разнонаправленность тектонических напряжений, приведших к образованию в этой части района пересекающейся складчатости и соответственно разнонаправленных разрывных нарушений. Кроме нарушения I, в пределах Нарыкско-Осташкинской площади, геологоразведочными работами на Жерновском поисковом профиле установлено крупное разрывное нарушение типа согласного взброса поражающее северное крыло Нарыкской антиклинали. Стратиграфическая амплитуда смещения колеблется в пределах 120 — 150 м. Данный дизъюнктив сопровождается рядом апофиз и зоной дробления мощностью около 130 м.

1.2.3 Гидрогеологическая характеристика

Гидрогеологические условия Нарыкско-Осташкинской площади изучались главным образом при разведке месторождений каменного угля, начиная с 1949 г (Яганов Н.М.1952 ф, Макаров В. Г. 1965 ф, Щербаков Н.И.1970 ф, Лоншаков В. И., 1985 ф и др). В настоящее время гидрогеологические работы ведутся в связи со строительством угледобывающих предприятий, созданием наблюдательных сетей для ведения мониторинга геологической среды, бурением гидрогеологических скважин для водоснабжения населения, а также в связи с оценкой газоносности угольных пластов для выявления метаноугольных месторождений.

Согласно гидрогеологической стратификации Кузбасса, в пределах Ерунаковского района выделяются воды четвертичных аллювиальных отложений, воды спорадического распространения верхнечетвертичных-современных проблематических отложений, водоносный комплекс мезозойских отложений и водоносный комплекс верхнепермских отложений ерунаковской подсерии .

Воды четвертичных алювиальных отложений

Грунтовые воды приурочены к алювиальным отложениям в долинах речек Кыргай, Черневой Нарык, Берёзовая, Осиновка, Большая Речка и др. Водовмещающие отложения представлены песком, гравием, галькой с примесью глинистого материала. Мощность их изменяется от 0,5 до 8 м. Уровень воды в долинах речек залегает на глубинах 0,5 — 1,5 м. Удельные дебиты скважин изменяются от 0,004 до 0,04 л/с, водопроводимость пород до 43 м³/сут.

Воды спорадического распространения верхнечетвертичных - современных проблематических отложений

Грунтовые воды проблематических отложений распространены в бассейнах рек Еланного и Чернового Нарыков.

Водовмещающие отложения представлены легкими разностями суглинков на контакте с более тяжелыми, а также супесями и прослойками песков. Мощность пород колеблется от 0,2 до 2 м. Воды безнапорные и слабонапорные, напоры не превышают 1 — 2 м. Водообильность пород незначительная, дебиты родников изменяются от 0,03 до 0,1 — 0,2 л/с. По химическому составу воды гидрокарбонатные кальциевые, реже гидрокарбонатные магниевые, кальциево-натриевые, натриевые с минерализацией 0,1 — 0,4 г/дм³. Содержание аммония довольно часто выше нормы (до 0,2 мг/л), рН 5,5 — 7,5. Практического значения эти воды не имеют.

Водоносный комплекс мезозойских отложений

Водоносный комплекс связан с осадками тарбаганской серии юры (J₁₋₂) и абинской серии триаса (Т_ab).

Юрские осадки, занимают небольшую площадь в ядре Кыргай-Осташкинской синклинали, обладают повышенными фильтрационными свойствами. Водовмещающие породы — трещиноватые, фациально невыдержанные по площади и в разрезе слабосцементированные песчаники, алевролиты, конгломераты, реже аргиллиты.

Характеристика подземных вод юрских отложений дается, главным образом, до глубины 100−150 м и основывается на результатах гидрогеологической съёмки масштаба 1:200 000.

По типу движения эти подземные воды преимущественно трещинные, трещинно-пластовые, приурочены к отдельным зонам повышенной трещиноватости, которые разделены между собой менее трещинноватыми и даже монолитными породами. Количество трещиноватых зон по данным резистивиметрии и расходометрии колеблется от 1−2 до 5₇, мощности зон изменяются от 2−3 до 30−40 м. Воды, как правило, напорные. Величина напора изменяется от 1−9 м до 120−170 м и больше, в зависимости от положения трещиноватой зоны в разрезе. Как правило, наибольшими напорами обладают более глубокие зоны. Пьезометрическая поверхность подземных вод в сглаженном виде повторяет рельеф местности и фиксируется на водоразделах и склонах на глубине от 3,6−10 м до 40 м, в долинах и логах на глубине 0−14 м, нередко на 3−5 м выше поверхности земли. Как правило, в депрессиях рельефа скважины фонтанируют.

Водообильность юрских отложений довольно высокая и обусловлена, прежде всего, наличием и интенсивностью открытой трещиноватости и степенью выветрелости пород. Удельные дебиты скважин колеблются в долинах от 0,1 до 9,5 л/сек, на водоразделах от 0,01 до 0,06 до 0,3 л/сек. Питание подземных вод осуществляется путём инфильтрации атмосферных осадков на склонах и водоразделах, разгрузка происходит в местную гидросеть.

По химическому составу подземные воды гидрокарбонатные с пестрым катионным составом, минерализация в основном в пределах 0,3−0,8 мг/л, реакция водной среды от нейтральной до слабощелочной (рН = 7−8), жесткость составляет 2−5 мг/экв. Воды не агрессивные по отношению к бетону. Микроэлементы представлены медью, марганцем, титаном, ванадием, галлием, бромом, стронцием, редко цирконом, цинком, кадмием, никелем. Содержания микроэлементов незначительны и равны в основном тысячным и десятитысячным, реже сотым долям мг/л.

Эффузивно-осадочные отложения триаса распространены в ядре и на крыльях Кыргай-Осташкинской синклинали. Они представлены в большинстве своём туфогенными алевролитами, песчаниками, алевролитами и песчаниками обычного вида.

Все породы разбиты густой сетью трещин в самых разнообразных направлениях. Доминируют вертикальные трещины. Зона интенсивной трещиноватости распространяется до глубины 100−150 м.

По характеру движения подземные воды, приуроченные к отложениям триаса, являются трещинными, трещино-пластовыми и приурочены к интервалам повышенной трещиноватости, мощность и количество которых непостоянны. Подземные воды безнапорны на водоразделах, слабонапорны в нижней части склонов и в долинах. Отмечается тенденция к увеличению напоров (вплоть до фонтанирования) при вскрытии глубоких зон. В долинах и нижних частях склонов иногда отмечается самоизлив. Уровенная поверхность подземных вод устанавливается в долинах вблизи поверхности земли на глубинах от 1,3 м или выше её на 1 — 3 м. На водоразделах и склонах глубина залегания уровня подземных вод увеличивается до 10 м. и более.

Водообильность подземных вод отложений триаса неравномерна, как по площади, так и по разрезу. Удельные дебиты скважин изменяются в пределах от 1,0 л/сек. до 0,008 л/сек.

Питание подземных вод преимущественно местное за счет инфильтрации атмосферных осадков на водоразделах и склонах, имеющих маломощный покров рыхлых водопроницаемых отложений, разгрузка осуществляется в местную гидросеть.

Уровенный режим подземных вод характеризуется непостоянством и целиком зависит от режима атмосферных осадков.

По химическому составу подземные воды гидрокарбонатные, с пестрым катионным составом — кальциевые, натриево-кальциевые, кальциево-натриевые и натриевые. По данным, полученным при опробовании разведочных скважин, минерализация подземных вод изменяется от 389 мг/л до 778 мг/л, что нехарактерно для подземных вод зоны умеренного увлажнения. По показателю жесткости воды мягкие, по величине pH — от нейтральных до щелочных. По данным гидрогеологической съёмки масштаба 1:200 000, среди микрокомпонентов в незначительных концентрациях присутствуют медь, марганец, барий, цинк, титан, ванадий, галлий, стронций и кадмий, аномальные содержания дают только барий и никель.

Водоносный комплекс верхнепермских отложений ерунаковской подсерии

В пределах района работ отложения ерунаковской подсерии слагают центральную часть Нарыкской антиклинали, а также южное крыло Кыргай-Осташкинской синклинали. Разрез водоносного комплекса представлен чередованием мощных пластов песчаников с алевролитами, аргиллитами и углями. По водопроводимости в толще пород выделяется две зоны: верхняя, с интенсивно трещиноватыми породами и нижняя — зона затухающей трещиноватости.

По условиям залегания и характеру водовмещающих пород в верхних частях разреза преобладает трещинный тип фильтрации подземных вод, ниже, в условиях затухания трещиноватости и наличия мощных пластов песчаников, возрастает роль трещинно-пластового, трещинно-жильного типов фильтрации. Трещиноватость пород в разрезе неравномерна. По данным геофизических исследований установлено наличие от 1 до 5−8 водоносных зон.

Глубина залегания водоносного комплекса колеблется от 1 до 10 м, в исключительных случаях до 13 — 18 м в долинах и от 10 до 25 м, редко до 50 м на водоразделах.

Подземные воды комплекса, как правило, напорные в долинах рек, подножьях склонов и безнапорные на водоразделах. Величины напоров в зоне интенсивной трещиноватости изменяются от 3 — 7 м до 10 — 24 м и зависят от положения водоносных зон в разрезе. С глубиной напоры увеличиваются, в некоторых случаях фонтанирование скважин начинается с глубин 200 — 400 м .

Уровни подземных вод в логах и долинах устанавливаются на глубинах от 4 м до 5 м выше поверхности рельефа. На водоразделах и склонах глубины залегания уровня подземных вод изменяются от первых метров до 48 м.

Водообильность комплекса в общем невелика и неравномерна как по площади, так и в разрезе. Удельные дебиты скважин варьируют в очень широких пределах, от 0,01 л/сек до 1,2 л/сек при преобладающих значениях 0,2−0,6 л/сек.

Питание подземных вод преимущественно местное за счет инфильтрации атмосферных осадков, в меньшей степени за счет напорных вод глубоких горизонтов. Разгрузка происходит в местную гидросеть.

Уровенный режим подземных вод характеризуется непостоянством и целиком зависит от режима атмосферных осадков.

По химическому составу подземные воды являются гидрокарбонатными со смешанным катионным составом, преимущественно кальциевым или натриевым. Воды пресные, минерализация изменяется от 360 до 865 мг/л, от мягких до жестких (3,65 — 9,87 мг-экв/л), по показателю pH от слабокислых до щелочных. Микрокомпоненты представлены медью, марганцем, цинком, титаном, ванадием, галлием, бромом.

1.2.4 Физико-механические свойства горных пород

Таблица 1.1 Физико-механические свойства горных пород

1.3 Основные методы и технологии интенсификации газоотдачи угольных пластов

Дебит отдельных скважин можно в значительной мере увеличить за счет как внедрения методов интенсификации притока газа, так и улучшения техники и технологии вскрытия пласта, усовершенствования оборудования, используемого при эксплуатации скважин.

В настоящее время, применяются четыре основных метода воздействия на пласты. Они приведены ниже в порядке частоты использования

1. Гидравлический разрыв пластов.

2. Метод кавернообразования в необсаженном стволе скважины.

3. Бурение горизонтальных, наклонно-направленных и многозабойных скважин.

4. Инъекция в угольные пласты диоксида углерода и азота.

Дополнительными методами интенсификации газоотдачи являются: электровоздействие, акустическое и вибрационное воздействие, а также термические методы в различных модификациях.

Интенсификация газоотдачи угольных пластов гидроразрывом.

Гидравлический разрыв — самый распространенный метод воздействия на угольные пласты. Гидроразрыв позволяет обеспечить соединение ствола скважины с естественными трещинами коллектора. Гидравлический разрыв — это процесс нагнетания специальной жидкости с пропантом (или без него) в скважину с большой скоростью, после чего происходит разрушение пласта и образование вертикальной трещины. Пропант необходим для предотвращения смыкания стенок трещины и для предохранения от забивания трещин угольными частицами. Гидроразрыв в настоящее время используется в мире больше чем на 80% действующих скважина для добычи метана. Из-за возможности использования этой технологии в различных пластовых условиях, рекомендуется ее применение как основной технологии при реализации Проекта добычи метана из угольных пластов в Кузбассе.

Выбор жидкости гидроразрыва — очень важен для обеспечения эффек-тивной стимуляции газоотдачи пластов. Жидкость гидроразрыва может быть следующих видов: (1) азотная пена для низконапорных коллекторов, (2) жидкости на водной основе для коротких трещин с низкой проводимостью; (3) линейный или поперечно — сшитый гель для широких и длинных трещин.

Гидроразрыв с применением пены в качестве жидкости разрыва. Применение пены при операциях гидроразрыва традиционно использовалась в пластах с пониженным давлением газа или чувствительных к повреждению жидкостями или в пластах, в которых существует сильное сопротивление проникновению жидкости. Однако такие операции по гидроразрыву более дорогие по сравнению с операциями по гидроразрыву, в которых применяется поперечно-связанный гель.

Гидроразрыв с применением воды в качестве жидкости разрыва (с пропантом). Поскольку гель может повреждать проницаемость пластов, то при операциях по гидроразрыву пласта может использоваться вода в качестве рабочей жидкости разрыва плюс песок размером 12/20 меш с концентрацией 100−200 кг/м3 воды. В некоторых частях бассейнов Сан Хуан и БлэкУорриор достигались более высокие дебиты газа из скважин, где проводился гидро-разрыв с применением воды в качестве рабочей жидкости, чем в соседних скважинах, где проводился гидроразрыв с применением геля в качестве рабочей жидкости. Гидроразрыв с применением воды в качестве жидкости разрыва вполовину дешевле, чем с применением геля.

Гидроразрыв с применением в качестве жидкости разрыва воды без пропанта. В бассейне БлэкУорриор в операциях по гидроразрыву иногда применялась вода без пропанта. Хотя добыча газа из этих скважин не такая высокая, как из скважин, где операции по гидроразрыву проводились водой с пропантом, операции по гидроразрыву с применением воды и без использования пропанта значительно дешевле. Когда таким образом производился повторный гидроразрыв в скважинах, где прежде проводился гидроразрыв с применением геля, то из таких скважин, как правило, добыча газа увеличивалась. Рентабельность проведения операций по гидроразрыву без использования пропанта, заключается в том, что (1) они более дешевые, (2) при их применении отсутствует эффект выноса пропанта.

Гидроразрыв с применением геля в качестве жидкости разрыва. Этот метод стимулирования скважин проводится через перфорированные обсадные трубы в угольных пластах. Высокая проводимость трещины достигается с помощью использования песка размером 12/20 меш с концентрацией 200−500 кг/м³ жидкости. Отрицательным эффектом от применения гелей является повреждение проницаемости угольных пластов. Стандартный гидроразрыв на севере бассейна Сан Хуан и в бассейне БлэкУорриор происходит с применением поперечно-связанного боратного геля, закачиваемого при скорости 4,8−10,0 м³/мин. Обычно используется песок размером 12/20 меш, но в некоторых случаях используется песок размером 20/40 меш. для достижения более высокой проводимости создаваемой трещины.

Интенсификация газоотдачи пластов методом пневмогидродинамического воздействия в необсаженном стволе скважины Одна из эффективных технологий, называемая пневмо-гидродинамическое воздействие на угольный пласт с кавернообразованием («open-holecavitycompletion») используется для завершения скважин добывающих метан из угольных пластов. В результате ствол скважины эффективно связывается с системой природных трещин, благодаря созданию большого количества разнонаправленных, саморасклинивающихся трещин. Однако, «cavity» (каверна) является побочным явлением процесса, а не главной целью «завершения» углеметановой скважины. Более подходящим термином для этого метода является «dinamicopenholecompletion» (динамическое завершение необсаженного ствола).

Метод пневмо-гидродинамического завершения в необсаженном стволе скважины с кавернообразованием в угольных пластах заключается в периодически повторяющихся циклах введения воздуха или водо-воздушной смеси в интервал необсаженного ствола, за которым следует стремительное сбрасывание давления. Теоретически обосновано, что в угольном пласте могут создаваться трещины растяжения на удалении от скважины, которые не берут начало от ствола скважины, и могут быть ориентированы в любых направлениях. В качестве побочного явления стремительного уменьшения давления происходит увеличение ствола скважины из-за обрушения в него (в ствол скважины) углей с низкой прочностью вследствие наложения гидродинамических эффектов.

Разрушение сдвига является результатом действующей нагрузки, когда давление в стволе скважины падает (в период сброса давления). В этом случае создаются активные зоны разрушения сдвига, которые ориентированы перпендикулярно к направлению максимального горизонтального стресса и перпендикулярны ориентации зон разрушения растяжения.

В процессе пневмо-гидродинамического «завершения» скважины должен вводится воздух или водо-воздушная смесь в ствол скважины в течение от 1 до 6 часов при расходах приблизительно от 60 до 100 м³/мин и при давлении на поверхности вплоть до 15 МПа. Фактические (действительные) расход и давление являются функцией глубины, проницаемости и наличия стресса в недрах (in-situ). После того как давление инъекции достигает расчетного верхний клапан открывается и поверхностное давление резко понижается флюиды выбрасываются через выкидную линию в отстойник. Обычно проводятся от 20 до 30 инъекций в течение полного цикла, для которого может требоваться от 10 до 15 дней.

Наиболее успешно эта технология применяется при завершении скважин бассейна Сан Хуан, (штаты Колорадо и в Новая Мексика). На некоторых площадях (в «продуктивном поясе») скважины, «завершенные» методом «open-holecavity» производят значительно больше газа, чем скважины, завершенные с использованием других технологий, таких как гидроразрыв.

В бассейне Сан Хуан при проведении экспериментальных работ по сравнению скважин с пневмо-гидродинамическим воздействием на угольные пласты в открытом стволе со скважинами, «завершенными» по технологии гидроразрыва было отмечено, что дебиты скважин с «кавитацией» в 5−10 раз больше дебита скважин с гидроразрывом при сходных геологических условиях и коллекторских характеристиках пластов. Сопоставления производилось по 10 скважинам, в которых первоначально был проведен гидроразрыв в обсаженном стволе и замерены начальные дебиты скважин, а затем скважины были повторно перебурены и на теже угольные пласты было произведено пневмо-гидродинамическое воздействие с кавернообразованием в необсаженном стволе («кавитация»). После такого повторного завершения наблюдение за дебитами скважин проводилось в течение года.

Сразу после повторного «завершения» (интенсификации) методом кавернообразования («кавитации») кратковременно дебиты метана в скважинах резко возросли и колебались в широких пределах: от 20−60 тыс. м³/сут. до 300−370 тыс. м³/сут., а в двух скважинах (№ 404 R и 421 R) достигали даже 640 тыс. м³/сут. Затем после относительной стабилизации дебиты семи скважин в январе 1992 года достигали 100−150 тыс. м³/сут., а только в трех были равны 40−80 тыс. м³/сут.

Благодаря удаче в бассейне Сан Хуан, были предприняты попытки применить «динамические завершения» необсаженного ствола скважины в других бассейнах, включая Piceance, PowderRiver, Аркому, Юинту и БлэкУорриор, но в этих бассейнах применение этой технологии не увенчалось успехом [4,5].

Анализ горно-геологических условий, в которых наиболее эффективна технология «open-holecavitycompletion» показывает, что обязательными условиями для этого являются [4,5]:

— аномально высокое пластовое давление флюидов,

— высокая газоносность пластов (более 15 м³/т), при полном газонасыщении,

— витринитовый петрографический состав углей (80−90%),

— мощные угольные пласты (более 10−12м),

— средняя стадия метаморфизма углей (Ro 0,75−1,1),

— низкая зольность углей (10−15%).

Интенсификация газоотдачи пластов с помощью горизонтальных и наклонно-направленных скважин Добыча метана из угольных пластов с использованием наклонно-направленных и горизонтальных скважин получила наибольшее распространение в Австралии, где при проводке наклонно-направленных и горизонтальных скважин, пробуренных по продуктивному пласту, наиболее часто используют технологии МRD и ТRD.

Технология МRD (MediumRadiusDrilling), разработанная австралийской компанией «MitchellDrillingCo.», представляет собой технологию бурения скважин со средним радиусом искривления получила достаточно широкое распространение, т.к. ограничений для ее применения достаточно мало и она весьма перспективна с коммерческой точки зрения. Особенность технологии МRD заключается в необходимости строительства основной вертикальной скважины, с которой должны пересекаться стволы одной или нескольких наклонно-направленных (или горизонтальных) скважин.

В случае строительства метаноугольных скважин по технологии МRD сначала строится основная вертикальная скважина. Ствол вертикальной скважины обсаживается до кровли продуктивного угольного пласта. В интервале залегания газоносного угольного пласта ствол скважины расширяется до ш450−600 мм. В интервале расширения ствола вертикальной скважины в некоторых случаях размещают электромагнитный источник, который используют в качестве «навигационного маяка» при проводке ствола наклонно-направленной скважины. За счет этого повышается вероятность пересечения стволов вертикальной и наклонно-направленной скважин в интервале расширения.

Длина необсаженного зумпфа основной скважины для размещения погружного насоса ниже нижнего продуктивного пласта составляет, как правило, не менее 50 м.