Лекция 4. Метан угольных пластов (2 часа)

Ресурсы и хозяйственная значимость. Перспективы промышленного освоения.

В Восточном Донбассе залежи угольного метана известны и прогнозируются во всех угленосных районах. Ресурсы метана в угольных пластах только на детально разведанных на уголь участках оцениваются величиной 100−120 млрд. м³ (Труфанов и др., 2004).

Из 320 разведанных участков угольных месторождений и шахтных полей более 50 могут рассматриваться также как метаноугольные месторождения, причем 30 млрд. м³ газа сосредоточены в пределах горных отводов ликвидированных и ликвидируемых шахт. 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 «уголь-газ» 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.

Один из проведенных экспериментов выполнен в интервале залегания угольного пласта mg¹ в скважине глубиной 410 м и конечным диаметром 93 мм. Угольный пласт вскрыт на горизонте «- 380 м» в целике, оставленном в период эксплуатации Краснодонецким шахтоуправлением.

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 25 000 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.