Оценка потенциального уровня извлекаемости метана из угольных пластов

УДК 622.831

© Г.Г. Каркашадзе, С.В. Сластунов, Е.П. Ютяев, 2009

Г.Г. Каркашадзе, С.В. Сластунов, Е.П. Ютяев

ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОГО УРОВНЯ ИЗВЛЕКАЕМОСТИ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Выполнен анализ источников метана, поступающего из угольного пласта в скважину, в том числе: за счет диффузии из зоны дезинтеграции угольного пласта вокруг скважины, за счет фильтрации из-за пределов зоны дезинтеграции угольного пласта, из пород кровли и почвы. Рассмотрено уравнения диффузии, описывающее массоперенос угольного метана из монолитных угольных блоков в трещины в зоне дезинтеграции пласта. Рассмотрен процесс фильтрации газа из пород кровли, почвы и угольного пласта. Выявлен комплекс параметров, которые в наибольшей степени влияют на дебиты метана, в том числе: пластовое давление метана, проницаемость и пористость неразгруженного угля, пород почвы и кровли; эффективный радиус зоны дезинтеграции вокруг скважины и мощность угольного пласта. Ключевые слова: угольный пласт, метан, диффузия, фильтрация, пластовое давление, породы почвы и кровли, извлечение метана.

Для решения поставленной задачи необходимо иметь исходную горно-геологическую информацию. Выполним анализ следующего варианта: мощность пласта, т=4,5 м; плотность угля, ру=1200 кг/м3; газоносность в виде сорбированного в угле метана составляет 15 м3/т (С0, =10,7 кг/т); газопроницаемость угля, К1=0,01^10"15м2; газопроницаемость пород кровли К3=0,01-10"15м2; газопроницаемость пород почвы К4,= 0,01-10"15м2; пористость

угольного пласта, П = 0,064; пористость пород кровли, П3 = 0,06; пористость пород почвы, П4 = 0,06; пластовое давление газа Рш = 22,4-105 Па, эффективный радиус зоны питания скважины, R = 50 м.

Важной исходной характеристикой является изотерма Лен-гмюра, устанавливающая зависимость между природным пластовым давлением и газоносностью угля (рис. 1).

В частности из рис. 1 следует, что при газоносности 15 м3/т пластовое давление составляет 22,4-105Па.

Определение эффективного радиуса зоны питания скважины

Технология дегазации неразгруженного угольного пласта предусматривает предварительное бурение скважины,

Е

Газоносность угля, м3/т

Рис. 1. Изотерма Ленгмюра

ее обсадку металлическими трубами и цементацию затрубного пространства. На практике используют два метода вскрытия пласта:

- первый, когда в зацементированной колонне труб на контакте с угольным пластом делают щели и отверстия, например, с помощью пескоструйного аппарата;

- второй, когда скважина в месте пересечения с пластом не обсаживается трубами, при этом скважину, пересекающую угольный пласт расширяют.

В обоих случаях для эффективной дегазации необходимо создать искусственную зону дезинтеграции вокруг скважины в пласте, являющуюся по существу зоной питания скважины. При отсутствии указанной зоны дезинтеграции невозможно получить удовлетворительные дебиты метана, поскольку в угольных пластах метан находится преимущественно в сорбированном состоянии (более 95%) и его перемещение к скважине в процессе диффузии происходит очень медленно. Что касается свободного метана, то его со-

держание в угольных пластах, как правило, не велико, за исключением аномальных зон, характерных для газовых месторождений.

При прогнозе дебита извлечения метана из угольных пластов, очень важными параметрами являются радиус зоны питания и размеры угольных блоков, оконтуренных трещинами дезинтеграции. Очевидно, чем больше радиус зоны питания пласта и чем выше степень его дезинтеграции, тем более интенсивно будет происходить дегазация угольного пласта. Следует иметь в виду, что источником продуктивного метана является не только угольный пласт. При определенных условиях следует учитывать дополнительные источники поступления метана: из пород кровли, почвы и из-за пределов радиуса зоны дезинтеграции пласта. Физический механизм поступления метана из окружающего пространства в зону дезинтеграции пласта - это свободный газ, перемещаемый по законам фильтрации. В данном случае, несмотря на относительно малое количество свободного метана (менее 5%) (по сравнению с сорбированным в угле метаном), этот источник распределен в окружающем пространстве, включая породы кровли и почвы, и вносит существенный вклад в дебиты метана в дегазационную скважину.

Таким образом, метанодобываемость определяется не только геологическими факторами угольного пласта и окружающего массива, но также показателями технологии обработки угольного пласта с целью дезинтеграции.

Наибольшее распространение в отечественно и зарубежной практике получила технология гидравлической обработки угольного пласта, предусматривающая использование высоконапорных насосных установок с темпом подачи воды более 60 л/с. В процессе гидрообработки насосы развивают давление до 15 МПа, под действием которого происходит рост магистральных трещин и их ветвление, что по существу отражает процесс гидравлической дезинтеграции пласта. В настоящее время не существует надежных методик прямого расчета площади зоны дезинтеграции пласта. Это объясняется тем, что необходимые для расчета количественные показатели, такие как начальная трещиноватость угольного пласта, расстояние между природными угольными блоками и их геометрическая форма - практически недоступны для измерений. Поэтому выходом из существующего положения является вычисления радиуса зоны дезинтеграции на основе использование принципа сопостав-

ления фундаментальной теоретической модели с результатами практической гидрообработки пласта.

Такая задача решена в Московском государственном горном университете. Наиболее полно решение задачи изложено в публикациях [1, 2, 3, 4]. В основу решения задачи положен линейный закон Дарси с переменным коэффициентом фильтрации, зависящим от давления жидкости и имеющим гистерезис на стадии падения давления жидкости. Граничные условия заданы в виде произвольного расхода жидкости на контуре скважины. В результате расчетов получается зависимость давления жидкости на устье скважины и распределение давления в пласте в зависимости от переменных граничных условий. Решена также обратная задача, позволяющая на основе сопоставления теоретических и фактических зависимостей определить вероятные физические и фильтрационные характеристики угольного пласта, влияющие на процесс гидрообработки. На основе последующего моделирования на ЭВМ при заданном законе изменения расхода жидкости во времени определяется эффективный радиус М зоны дезинтеграции угольного пласта в процессе гидрообработки. МГГУ имеет полное программное обеспечение данной задачи.

Определение потока метана из зоны дезинтеграции угольного пласта

Согласно известным подходам [5,6] физическая модель зоны дезинтеграции угольного пласта представляет собой среду с двойной проницаемостью. По этой модели процесс дегазации угольного пласта реализуется в совокупности двух физических процессов: диффузии по закону Фика в монолитных матрицах угля и свободная фильтрации по магистральным трещинам, которые имеют аэродинамическую связь с продуктивной скважиной. Аналогичная модель, учитывающая преимущественно вертикальную блочность, описана в работе [7].

С небольшой погрешностью при Fo>0,3 для расчета дебита метана можно использовать следующую приближенную формулу

16 3 + 3

q(t) = -R2шру(Со -Сехр я 3„3„

л2

.

где Сь - массовая концентрация метана на границе блоков, кг/кг; D

- коэффициент диффузии угольной монолитного угольного блока,

м2/с; ёх, ёу - поперечные размеры монолитных угольных блоков, м; Fox , Fox - числа Фурье:

77 D^ Dt

Fo = —; Foу = —,

х 32 у 32

t - время.

Несмотря на физическую обоснованность данной теоретической модели при использовании ее для прямых расчетов дебита продуктивных скважин возникают проблемы, связанные с точным определением размеров блоков дх, ду и соответствующих им коэффициентов диффузии. Фактическое состояние таково, что эффективный коэффициент диффузии D зависит от размеров блока и является величиной переменной. Эта особенность в используемой модели не учитывается. Поэтому выходом из существующей ситуации является использование усредненных показателей, значения которых можно определить из сопоставления теоретической модели с фактическими результатами на производственном объекте хотя бы на начальной стадии эксплуатации продуктивной скважины. При этом имеется в виду, что основной физический механизм - механизм диффузии данная модель отражает вполне объективно. В дальнейшем при наборе статистического материала по множеству скважин можно будет прогнозировать метанодобываемость в аналогичных условиях для других участков и на других месторождений.

Исходя из изложенного, в данной методике предлагается использовать комплексный показатель, имеющий смысл времени релаксации с размерностью времени:

32

32

t = —

рх D

t =

ру

В

С учетом (3) расчетная формула для дебита газа Q1=q(t) продуктивной скважины, учитывающая поступление в трещины метана, десорбируемого из угольных блоков принимает вид

01 = 16 R 2 тРу (С о - Сь )^ехР я tp

я

t

кг/с.

где tp - эквивалентное время релаксации процесса метаноотдачи в процессе диффузии, определяемое из выражения

1 _ 1 1

t t t

р Рх ру

Таким образом, параметр метаноотдачи (эквивалентное время релаксации процесса метаноотдачи) угольного пласта ^ определяют на основании сопоставления с фактическим дебитом скважины на начальной стадии эксплуатации, т.е. сразу же после удаления из пласта воды. Принцип сопоставления - минимизация расхождения теоретической и фактической зависимостей, например, по критерию наименьших квадратов отклонений.

Определение потока свободного метана через границу зоны дезинтеграции угольного пласта

Из-за пределов границы зоны дезинтеграции пласта в направлении к скважине может поступать преимущественно свободный метан, движение которого описывается законом Дарси. Что касается диффузионного механизма поступления метана из-за пределов зоны дезинтеграции, то темп этого потока более чем на порядок меньше фильтрационного потока и поэтому его величиной можно пренебречь. Для расчета фильтрационного потока воспользуемся решением осесимметричной задачи фильтрации с учетом сорбции метана в процессе фильтрации. Такое решение задачи описано в работе [8].

В расчетной модели учитывается проницаемость неразгруженного пласта, его пористость и пластовое давление свободного газа, характеризующие метанодобываемость. В соответствии с принятой моделью метан из дальних участков низкопроницаемого угольного пласта поступает в зону гидравлической дезинтеграции пласта и затем по магистральным трещинам движется к скважине под действием перепада давлений. Если стремиться к более точному решению задачи, то в процессе движения метана к скважине следует еще учитывать аэродинамическое сопротивление перемещению газа в зоне дезинтеграции. Однако, учитывая малые скорости фильтрационного движения газа, этот фактор является не столь существенным.

Определение притока метана из кровли и почвы в зону дезинтеграции

Еще одним источником метана являются породы почвы и кровли, из которых метан также поступает в зону дезинтеграции, а

затем движется к скважине. Известно, что газоносность пород кровли и почвы пласта почти на порядок меньше угля. Однако, этим потоком метана вряд ли стоит пренебрегать если принять во внимание большую площадь контакта окружающих пород с угольным пластом. К тому же в породах кровли и почвы содержатся углистые вещества и угольные пропластки, насыщенные как свободным, так и сорбированным метаном. Однако основной поток метана из выше- и нижележащих пород - это фильтрационный перенос газа по закону Дарси. Решение аналогичной задачи описано работе [9]. В принятых в данной методике размерностях дебиты метана из плоскостей обнажения, представляющих собой породы кровли почвы, покрывающие зону дезинтеграции, рассчитывается по формулам:

2 К з Мен.

II Я1

К

2 К 4 4

р2 - Р2

II Я1

где К3 и К4 - коэффициенты проницаемости пород кровли и почвы, Д; a3 и a4 - пьезопроводность пород кровли почвы, м2/с;

К

a3 _

К

а4 _•

/иП3 2 цП4

В процессе осушения угольного пласта породы почвы не сразу отдают метан, а с некоторой задержкой, обусловленной перемещением депрессионной воронки ниже кровли. Этот фактор требует специальных исследований, однако в упрощенной модели можно принять механизм постепенного осушения почвы в течение времени t0. В этом случае для описания пригодна ступенчатая функция:

04 _

04

при t -10 < 0

Н

8

Ю

<ц

1.6

1.2

0.8

0.4

0.1

0.68

1.26

2.42

1.84

Годы

Рис. 2. Прогнозируемый дебит метана из скважины

Формулы (5) и (6) позволяют рассчитать составляющую дебита метана по максимально возможной величине, поскольку допущение о свободной границе контакта пород кровли и почвы с пластом отражает фактор беспрепятственного поступления метана в зону дезинтеграции.

Таким образом, суммируя все описанные источники метана и механизмы их движения к промысловой скважине, получим величину дебита промысловой скважины в виде

0^ = ^+ ^+ ^+ ^.

Результаты расчета

На рис. 2 представлен прогнозируемый дебит скважины при пластовом давлении 2,24 МПа.

На рис. 3 представлен суммарный съем метана из скважины при природном пластовом давлении 2,24 МПа.

Таким образом, при заданных исходных данных прогнозируется съем метана в течение 2,5 лет в пределах 1161 тыс. м3 метана. Эта величина соответствует снижению природной газоносности пласта в зоне дегазации на величину 6,8 м3/т.

S

S3

<u

>0

о

л

«

л

а

1-

<u

н

я

s

годы

Рис. 3. Интегральный съем метана из скважины (тыс. м3) по годам

Выводы:

1 Представленная методика расчета позволяет прогнозировать дебиты метана из промысловых скважин на стадиях заблаговременной дегазации угольного пласта.

2. Прогнозируется также интегральный съем метана в течение времени дегазации.

Авторы обращают внимание на новизну представленного методического подхода к решению задачи и отмечают, что достоверность прогноза может быть повышена за счет использования фундаментальных достижений в области теории фильтрации газа в трещиноватой и деформируемой среде и на базе использования современных средств вычислений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С. Аналитическая модель гидравлического расчленения угольного пласта. Журнал «Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых». Новосибирск, 2002, №6.

2. The Development of Analytical Model for Hydraulic Treatment of Coal Bed and Determination of its Main Hydrodynamic Parameters L.A. Puchcov, S.V. Slastunov, G.G. Karkashadze and K.S. Kolilov (Moscow State Mining University, Russia). 0531. 2005 International Coalbed Methane Symposium. University of Alabama, Tuscaloosa.

3. Simulation of Hydraulic Treatment of Coalbed by Hydraulic Pulse Loadings. L.A. Puchcov; S.V. Slastunov; G.G. Karkashadze; K.S. Kolilov. (Moscow State Mining

University, Russia). 0620. 2006 International Coalbed Methane Symposium. University of Alabama, Tuscaloosa.

4. Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С., Алексеева В.А. Разработка аналитической модели гидрорасчленения угольного пласта. - М.: ГИАБ, 2002, №6, С. 50-53.

5. Modelling the Movement of Coalbed Gas for Different Coal Permeability F. Sereshkil, N. I. Azizl, I. Porterl and A. Godbole2. School of Civil, Mining and Environmental Engineering, University of Wollongong, NSW 2522, Australia; School of Mechanical, Materials and Mechatronics Engineering, University of Wollongong, NSW 2522, Australia. 0502. 2005 International Coalbed Methane Symposium. University of Alabama, Tuscaloosa.

6. Jolly, D.C., Morris, L.H. andHinsley, F.B. (1968) An investigation into the relationship between the methane sorption capacity of coal and gas pressure. Mining engineer, Vol. 127, No. 94, pp.539-548.

7. Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С. Оценка величины дегазируемых запасов угля по динамике газовыделения. Москва, МГГУ, 2006. Сборник научных трудов по материалам симпозиума «Неделя горняка-2007». Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня.-2007. 0-№0В23.—М: Издательство «Мир горной книги».

8. Черных В.А. Гидрогеомеханика нефтегазодобычи. Моства, 2001. Отпечатано на ротапринте ВНИИГАЗа, С.161-168.

9. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Федунец Б.И. Перспективы добычи метана в Печорском угольном бассейне. Москва. Издательство Московского государственного горного университета, 2004, 557с.

10. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С. Методика расчета допустимой нагрузки на очистной забой по газовому фактору. Сб. научн. трудов по материалам симпозиума "Неделя горняка-2009". М. Изд.МГГУ, 2009г. С. 151-159.

Karkashadze G.G., Slastunov S. V., Utiaev E.P.

ESTIMATION OF METHANE RECOVERY POTENTIAL FROM COALBED

We have carried out analysis of all methane sources entering the well from coalbed, as well as resulting diffusion process, from infiltration outside coalbed disintegration area, from roof and floor rocks. We have also considered equation of diffusion which describes mass transfer of coal methane from solid coal blocks into cleat in bed disintegration area. We have considered gas infiltration equations for floor and roof, and coalbed from outside disintegration area. We have identified complete criteria for the coalbed, gas permeability, porosity of coal seam, roof and floor rocks, effective radius of disintegration area around the well and coal seam thickness.

Key words: coal bed, methane, diffusion, infiltration, gas pressure, roof and floor rocks, methane recovery.

— Коротко об авторах -----------------------------

Кaркaшaдзе Г.Г. - профессор, доктор технических наук, Слacrnyme С.В. - профессор, доктор технических наук, Ютяев Е.П. -

Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru