Современные методы добычи метана из угольных пластов

УДК 622.272:622.831

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ДОБЫЧИ МЕТАНА ИЗ 
УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

MODERN METHODS OF METHANE PRODUCTION FROM COAL BEDS 

Копытов Александр Иванович, профессор, д.т.н.
Войтов Михаил Данилович, профессор, к.т.н.
Тагиев Санан Мехман оглы, студент, e-mail: tagiev_senan@mail.ru

Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28

Kopitov Alexander I., professor, Ph.D.
Voitov Michael D., professor, Ph.D.
Tagiev Sanan M., student, e-mail: tagiev_senan@mail.ru

T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 28 street Vesennyaya, Kemerovo, 650000, Russian Federation

Аннотация: проведен обзор современных методов добычи и интенсификации газоотдачи метана из угольных пластов, рассмотрены основные направления перера-ботки и использования метана.

Ключевые слова: метан угольных пластов, интенсификация газоотдачи, гид-равлический разрыв пласта, горизонтальное бурение, пневмогидравлическое воздей-ствие на угольный пласт.

Abstract: a review of modern methods of production and the intensification of the gas recovery of coalbed methane, the main directions of processing and utilization of methane.

Key words: coalbed methane, the intensification of gas recovery, fracturing, horizontal drilling, pneumohydraulic impact on the coal seam.

Растущее мировое энергопотребление требует рационального использования традиционных источников энергии и поиска новых нетрадиционных запасов углеводородов. Метан угольных пластов на сегодняшний день является наиболее доступным, дешевым, экологически чистым из известных нетрадиционным источником энергии.
В угольной промышленности метан является фактором риска в процессе эксплуатации шахт. Как правило, содержание метана растет с увеличением глубины залегания угля. Именно поэтому риск аварий, связанных со взрывами метана в шахтах, будет нарастать по мере выработки пластов угля нижнего залегания.
Сегодня продолжается постоянный поиск путей дегазации угля до его добычи. Некоторые угледобывающие компании добывают метан в незначительных объемах и затем используют его для своих нужд. Этот способ заключается в предварительном бурении скважин до начала разработки пластов угля. В результате происходит понижение уровня содержания метана, что приводит к значительному сокращению рисков аварий. Однако до начала 1970-х годов, несмотря на многочисленные исследования и эксперименты, этот способ удаления метана считался неэффективным, а потому не получил широкого распространения [1]. 
В современной нефтегазовой промышленности ценность газа метана возрастает, и поэтому интерес к разведке и разработке запасов метана угольных пластов, когда-то ограниченный пределами Северной Америки, в настоящее время начинает охватывать практически всю планету. Например, в Австралии в 1995 г. метан из угольных пластов не добывался вообще, а в 2008 г. в этой стране, по данным AustralianMinesAtlas, было добыто 4 млрд м3. В 2006 г. в Китае было добыто свыше 1,4 млрд м3 метана, а в 2007 г. в США эта цифра составила 61 млрд м3, что составляет 10% поставок традиционного природного газа на внутренний рынок США. Все количества добытого газа метана значимы, потому что были добыты из источника, который практический не использовался до 1985 г [2]. 
Практика США показала, что добыча метана на угольных месторождениях является, прежде всего, инженерной задачей, решение которой в значительной степени за-висит от свойств углепородных толщ как резервуаров газа. Предоставление налоговых льгот и действующие законы, определяющие государственную собственность на метан угольных пластов, явились важными факторами, стимулирующими добычу метана в условиях 11 действующих угольных бассейнов США. Чтобы обеспечить добычу мета-на около 25 млрд м3 в год потребовалось пробурить около 17 тысяч геологоразведочных скважин стоимостью 17 млрд долларов США [3]. Таким образом, за десятилетний период (1985-1994 гг.) в США наблюдался значительный рост добычи угольного мета-на, большей частью обусловленный наличием локальных газовых месторождений и введением налоговых льгот, действие которых с 1994 г. было прекращено и не распространялось на вновь пробуренные скважины. 
По запасам метана угольных пластов Россия занимает лидирующее место в ми-ре. По разным источникам его ресурсы оцениваются в пределах от 17 трлн м3 до 80 трлн м3 [4]. Запасы метана, сконцентрированные в Восточной Сибири, можно осваивать для нужд предприятий тяжелой промышленности в центральной части России, что может высвободить дополнительные объемы газа для поставок на западные рынки. Добыча и использование метана улучшит экологическую обстановку в углепромышленных районах, снизит газоопасность добычи угля в будущих шахтах и создаст новые рабочие места на газовых промыслах и газоперерабатывающих предприятиях. В Кузнецком и Печорском бассейнах наиболее перспективные площади для промысловой добычи метана находятся вблизи потенциальных потребителей газа, расстояние до которых не превышает 75-200 км. Близость промыслов по добыче метана из угольных пластов к потребителям позволяет избежать затрат на компрессию газа и на строительство магистральных трубопроводов высокого давления, что делает угольный метан в углепромышленных регионах наиболее перспективным из нетрадиционных энергоносителей [5].
Угольные пласты как нетрадиционные коллекторы метана обладают некоторыми особенностями. Одной из основных особенностей является генетическая и пространственная связь метана со своим коллектором – угольным пластом, так как он образовывался совместно с углем, в процессе метаморфизма органических остатков. От-дельные мощные 5-10 метровые угольные пласты на площади 50 км2 представляют со-бой крупные промысловые залежи сорбированного метана с ресурсами около 7-14 млрд м3 [6].
По мнению американских специалистов и газопромышленников, основная масса метана в угольном пласте находится в сорбированном состоянии в форме адсорбции газа метана на поверхности угольных частиц и их микропор. Российские ученые считают, что метан в пласте угля, в отличие от традиционных залежей свободных газов в порово-трещинных коллекторах, находиться в основном в состоянии абсорбции (в виде твердого раствора в веществе угля), в меньшей мере в форме адсорбции и в незначительных объемах в свободном и водорастворенном состояниях. 
Газоемкость (метаноностность) связанна в пористостью, поскольку газ захватывается и удерживается а поровой системе матриц пласта. Уголь характеризуется умеренной внутренней пористостью, но при этом может удержать в несколько раз больше газа, чем равный объем песчаника при том же давлении. Газоемкость определяется главным образом степенью углефикации. Битумизированные угли потенциально обладают максимальной газоемкостью [7]. 
При углефикации удаляется вода и происходит усадка матрицы пласта и образуются системы ортогональных трещин – кливаж. Главный кливаж представляет собой систему, как правило, непрерывных параллельных трещин, которым перпендикулярны трещины вторичного кливажа. Обычно вода заполняет свободный поровый объем в матрице угольного пласта. При откачке воды и снижении пластового давления метан, адсорбированный на поверхности матрицы пласта и удерживаемый в микропорах, высвобождается. Затем газ диффундирует через матрицу пласта, мигрируя в кливаж и трещины, и в конечном итоге попадает в ствол скважины. Пространственное разделение и геометрия кливажа имеют большое значение, потому что это является системой естественной трещиноватости, служащая основой для главного механизма проницаемости.
Перспективность метаноугольных месторождений для промысловой добычи метана из угольных пластов определяется геолого-технологическими факторами [8]:
- газоемкость угольных пластов перспективными считаются месторождения, где этот показатель более 8-10 м3/т, при обязательном росте с глубиной залегания угольного пласта;
- глубина оценки (при современных технологиях добычи метана) этот критерий колеблется от 300 до 1800 м, наиболее благоприятный диапазон 500-1200 м;
- масштабы ресурсов метана перспективным является более 50-75 млрд м3 на площади, участке, полигоне;
- концентрация (плотность ресурсов) метана – более 150-200 млн м3/км2 для продуктивных групп угольных пластов;
- угленосность продуктивных интервалов, т.е. суммарная мощность угольных пластов должна быть не менее 8-10 м;
- зольность углей не должна превышать 25-30 %;
- петрографический состав углей – витринитовый; 
- степень метаморфизма углей перспективными являются группы Г, Ж, К, ОС, Т с показателем отражательной способности витринита в иммерсии от 0,6 до 2,0 %, наиболее перспективны группы Г, Ж, ЖК Т с показателем отражательной способности витринита от 0,75 до 1,20 %;
- хрупкость и трещиноватость углей – максимальной хрупкостью и эндогенной трещиноватостью (предопределяющей повышенную проницаемость) характеризуются угли средних стадий метаморфизма (с расстоянием между трещинами 0,1-0,3 см);
- тектоника месторождений, участков, площадей предпочтительны просты пологие складки с углами падения до 30-40 градусов; 
- геодинамическое состояние угленосной толщи перспективный массив должен находиться в состоянии растяжения или слабого сжатия.
По результатам исследований керновых и экспериментальных скважин к пер-спективным метаноугольным месторождениям относятся следующие критерии:
- проницаемость угольных пластов продуктивных групп в естественном залега-нии в оптимальном интервале глубин к перспективным относятся угольные пласты с проницаемостью более 5 мД по данным геолого-промысловых исследований, наиболее высокая проницаемость свойственна углям средних стадий метаморфизма; 
- наличие зон повышенной проницаемости, которые повышают перспективность промысловой добычи метана с применением технологии «кавернообразования» («Cavity»);
- технологические возможности применения средств интенсификации газоот-дачи угольных пластов, после применения методов интенсификации газоотдачи уголь-ных пластов (гидроразрыва, кавитации, электровоздействия и др.) при опытно-промышленных испытаниях дебиты скважин должны быть не менее 5-10 тысяч м3/сут, а на этапах активной работы в среднем около 20-40 тысяч м3/сут;
- экологическая необходимость снижения уровня загрязняющих веществ в атмо-сфере при использовании газа как экологически чистого энергоносителя;
- расстояние от углегазового промысла до потребителя – не более 200-250 км;
- экономическая целесообразность промысловой широкомасштабной добычи метана на оцениваемых площадях и транспортировки его потребителям определяется после опытно-промышленных испытаний на основе расчета экономической целесооб-разности развития углегазового промысла на оцениваемых площадях. 
Промышленная добыча метана из перспективных угольных пластов, обладаю-щих вышеизложенными свойствами, основана на десорбции газа с поверхности угля. Для этого необходимо снизить давление в пласте. Снижение давления будет способ-ствовать выделения свободного газа, который через систему трещин поступит в скважину. 
Скважина для добычи метана из угольных пластов обычно характеризуется низкими дебитами. Для максимального увеличения площади дренирования приток из скважин интенсифицируют несколькими способами. Самым распространенным способом интенсификации является гидравлический разрыв пласта. Причем эта технология применима для разного рода условий в угольных пластах. Гидравлический разрыв пласта проводят для образования новых или раскрытия уже существующих трещин с целью повышения проницаемости призабойной зоны пласта и увеличения производи-тельности скважины [9]. В процессе гидроразрыва специальную технологическую жидкость нагнетают в пласт под высоким давлением, достаточным для того, чтобы вызвать разрыв этого пласта. На следующем этапе гидроразрыва пласта в жидкость разрыва добавляют расклинивающий агент – пропант [10]. Пропант распределяется в трещинах для предотвращения их закрытия после завершения операции. В качестве расклинивающего материала используют натуральные пески и искусственные керамические пропанты. При этом в мировой практике в большинстве проводимых операциях гидроразрыва применяют кварцевый песок. Это во многом обусловлено его доступностью, относительно низкой стоимостью и пригодностью для различных пластовых условий. Подача песка обязательна как во вновь созданные, так и в существовавшие в пласте трещины, раскрытые при гидроразрыве [11]. Как показывают исследования, в процессе гидравлического разрыва возникают трещины шириной 1—2 мм. Радиус их может достигать нескольких десятков метров. Заполненные крупнозернистым песком трещины обладают значительной проницаемостью, в результате чего после гидроразрыва производительность скважины увеличивается в несколько раз [12].
Как и гидравлический разрыв пласта, нагнетание газа с целью увеличения добычи метана является технологией, которая может применяться в продуктивных угольных пластах с различными условиями. Нагнетание азота – технология, впервые успешно опробованная в США в 1995 г [13]. как средство увеличения добычи метана и продления срока эксплуатации месторождения. Подобные результаты могут ожидаться и от нагнетания углекислого газа. 
Экономическое применение нагнетания газов будет зависеть, главным образом, от производительности эксплуатационных скважин, стоимости технического оснащения и нагнетаемого газа, стоимости оборудования для сепарации добытого газа и стои-мости устья скважины по добычи метана.
Горизонтальное бурение тоже является способом интенсификации газоотдачи. Горизонтальное бурение особенно эффективно в условиях высоко анизотропного кол-лектора, где существует возможность ориентирования скважины с целью перехвата основного источника проницаемости в пласте приблизительно под прямым углом – таким образом максимизировать добычу газа. В связи с этим для высоко анизотропных коллекторов эта технология более эффективна, чем технология гидравлического разрыва пласта. Также кустовое горизонтальное бурение может увеличить дебит газа метана. Контроль за направлением скважины и ее устойчивостью – основные факторы, на которые оказывают влияние состояние угольного пласта при горизонтальном бурении. Данный опыт австралийских буровиков, приобретенный на протяжении длительной истории пластового бурения в угольных шахтах Нового Южного Уэльса, может быть использован для добычи метана из угольных пластов в России [14].
Интенсифицировать газоотдачу возможно методом пневмо-гидродинамического воздействия на угольные пласты с образованием в них каверн. Эта технология сравнима с технологией гидроразрыва пласта, но в отличии от нее здесь идет образование и трещин и полости (каверны) (рис. 1). В США метод пневмо-гидродинамического воздействия с каверообразованием используется для эффективного завершения углегазовых скважин. В процессе завершения ствол скважины эффективно связывается с пластом благодаря созданию большого количества разнонаправленных, саморасклинивающихся трещин. Однако, каверна является побочным явлением процесса. Наиболее успешно эта технология применяется в бассейне Сан-Хуан. Метод кавернообразования заключается в периодически повторяющихся циклах введения водо-воздушной смеси в ствол скважины. Увеличение давления в процессе инъекции водо-воздушной смеси, а затем стремительный сброс давления, могут вызвать обрушение угля вокруг ствола скважины за счет сил растяжения. 
Теоретически обоснованно, что в угольном пласте могут создаться трещины растяжения на удалении от ствола скважины, при этом они могут быть ориентированы в любых направлениях. Поэтому при проведении интенсификации газоотдачи методом кавернообразования происходит увеличение дебита газа в скважину. Дебиты газа, с применением этого метода, в бассейне Сан-Хуан составляет десятки тысяч м3 в сутки, а у отдельных скважин это значение составляет сотни тысяч м3 в сутки. 
После добычи метан проходит очистку от механических примесей (угольной пыли; песка, использованного при гидроразрыве пласта) и других газов, а затем может быть направлен по трубопроводам к потребителю, либо пройти процесс сжижения, и также может быть направлен потребителю. 
Существует два основных направления химической переработки и использова-ния метана угольных пластов (рис. 2):
- прямая конверсия метана в необходимые продукты за счет получения хлорза-мещенного метана – хлорметила, метиленхлорида, хлороформа, четыреххлористого углерода и ряда других продуктов, а также нитрометана;
- поэтапная конверсия метана, через получение синтез-газа, который является первичным продуктом переработки метана [15]. 
Из синтез-газа получают метанол, синтетический бензин, дизельное топливо, диметиловый эфир и другие химические продукты, которые необходимы для производства полимеров. 
Метан угольных пластов – это ресурс, который становиться все более значимым чистым энергоносителем, а технологии его – реальностью в глобальном масштабе. 
Добыча метана из угольных пластов является инновационным проектом и имеет общегосударственное значение. Промышленная добыча метана угольных пластов в ведущем угледобывающем регионе России – Кузбассе свидетельствует о создании новой газовой подотрасли, которая позволяет повысить безопасность подземной добычи угля, создать более надежную энергетическую базу и инфраструктуру для дальнейшего социально-экономического развития, дополнительные рабочие места и улучшить экологическую обстановку в регионе.

Статья

25
Получать свежие новости на почту

* Новости рассылаются в виде подборок каждую неделю

назад
ЗАРЕГИСТРИРОВАТЬСЯ
Нажимая кнопку «Зарегистрироваться», вы соглашаетесь с условиями пользовательского соглашения
ЗАЧЕМ НУЖНА РЕГИСТРАЦИЯ?
Нажимая кнопку «Зарегистрироваться», вы соглашаетесь с условиями пользовательского соглашения
ЗАЧЕМ НУЖНА РЕГИСТРАЦИЯ?
Новости горной отрасли

Получайте новости горной отрасли на вашу почту.
Будьте в курсе последних событий