СПОСОБ ДОБЫЧИ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
METHOD OF METHANE EXTRACTION FROM COAL SEAM

Изобретение относится к способам добычи метана из угольных пластов и проницаемых вмещающих пород путем периодического воздействия энергией плазмы, подведенной к продуктивному угольному пласту и к проницаемым вмещающим породам через щелевую перфорацию, ориентируемую с учетом направления векторов главных напряжений, получаемой от взрыва калиброванного металлического проводника, что приводит к созданию направленных коротких широкополосных импульсов высокого давления генератора плазменно-импульсного воздействия, размещенного в рабочем интервале вертикального ствола скважины, который вскрыт щелевой перфорацией для инициирования сжимающих и растягивающих напряжений в угольном пласте, возникновению акустической и гидродинамической кавитации, способствующей образованию обширной сети аномальной микротрещиноватости, что создает условия для максимальной десорбции метана из угля, трещин, микротрещин, микропор, капилляров и микрокапилляоров, а также из проницаемых вмещающих пород.
Все известные способы добычи метана заключаются в извлечении газа исключительно только из угольных пластов и не предусматривают извлечение метана из проницаемых вмещающих пород, что не обеспечивает в полной мере будущую безопасность работы шахтеров. Из применяемых способов известны:
- вымывание пласта вокруг скважины при помощи спонтанных выбросов угля и газа;
- провоцирование и поддержание саморазрушения с формированием коллекторной зоны с помощью гидродинамического воздействия;
- закачка в угольный пласт воды и воздуха, а также углекислого газа;
- добыча газа метана из одноствольных и многоствольных горизонтальных скважин;
- образование полостей вокруг скважины;
- добыча газа метана через дегазационные скважины;
- гидроразрыв угольных пластов.
Однако данные способы являются дорогостоящими, трудоемкими, экологически небезопасными, энергозатратными и малоэффективными, о чем свидетельствует большое количество как вертикальных, так и горизонтальных скважин без притока угольного метана.
Известны также способы, раскрытые в патентах US 2005/009831 A1 и US 2006/0108111 A1, предлагающие физическое и акустическое воздействие на угольный пласт с дневной поверхности и акустическими излучателями, размещенными в вертикальной скважине.
Однако воздействие с дневной поверхности (US 2005/009831 A1) энергозатратно, а энергия создаваемых широкополосных колебаний затухает с увеличением глубины залегания пластов. Кроме того, такое воздействие экологически небезопасно, вблизи разломов может привести к непредсказуемым последствиям.
Акустические излучатели (патенты US 2005/009831 A1 и US 2006/0108111 A1), размещенные в вертикальной скважине с целью увеличения проницаемости, излучают одну частоту, в то время как метаноугольная залежь является многофакторной, нелинейной динамической системой, в которой постоянно идут незатухающие неупорядоченные многочастотные колебания, выделить доминантную частоту не представляется возможным и, следовательно, решить проблему увеличения проницаемости на значительном удалении от источника возбуждения.
Способ щелевой гидромеханической перфорации скважин известен в патенте RU 2254451, МПК Е21/В 43/112, а также в патенте RU 2369728. Однако щелевая разгрузка происходит только в прискважинной зоне и не распространяется на весь угольный пласт.
Способ плазменно-импульсного воздействия на продуктивные пласты углеводородов раскрыт в патентах RU 2248591; RU 2373386; RU 2373387, а также в патенте US 2014/0027110 A1. Однако все эти способы предусматривают воздействие на продуктивные пласты углеводородов через кумулятивную перфорацию или в открытом стволе скважины. Кумулятивная перфорация снижает эффективность инициированного плазменного импульса, а в открытом стволе из-за пластичности и хрупкости угля может привести к обрушению призабойной зоны скважины и прихвату плазменно-импульсной аппаратуры. Кроме того, все способы не предусматривают извлечение метана из проницаемых вмещающих пород.
Технический результат предлагаемого способа - увеличение добычи угольного метана, уменьшение энергозатрат, повышение безопасности и экологичности процесса.
Технический результат достигается за счет того, что способ добычи метана из угольных пластов включает создание акустических, электрических, механических и гидродинамических сжимающих-растягивающих напряжений путем воздействия периодическими короткими импульсами, получаемыми за счет взрыва калиброванного проводника, размещенного в рабочем интервале скважины источника колебаний, энергия которого подводится к угольному пласту. При этом в скважине создают щелевую перфорацию, ориентируемую по направлениям основных напряжений в угольном пласте, создают дополнительную щелевую перфорацию в проницаемых вмещающих угольный пласт породах, причем направление дополнительной щелевой перфорации, ориентируют по направлениям основных напряжений вмещающих угольный пласт пород, усиливающих акустическую и гидродинамическую кавитацию пузырей газа, выделяемых из угля, трещин, микротрещин, пор, микропор, капилляров, микрокапилляров угольного пласта, а также трещин и микротрещин, создаваемых в проницаемых вмещающих угольный пласт породах, что способствует развитию сети аномальной микротрещиноватости в угольном пласте и дополнительных трещин и микротрещин в проницаемых вмещающих угольный пласт породах и максимальной десорбции и диффузии метана. Заявленное техническое решение поясняется фиг. 1-5.
На фиг. 1 показана схема результата периодического воздействия энергии плазмы на угольную залежь.
На фиг. 2 показана часть пласта (образца) до и после воздействия по предлагаемому способу.
На фиг. 3 показана томография пласта (образца) после воздействия по предлагаемому способу.
На фиг. 4 показаны параметры работы скважины до и после воздействия по предлагаемому способу.
На фиг. 5 показано влияние периодических импульсов на напряженное состояние угольного пласта.
Сочетание щелевой перфорации рабочего интервала скважины (см. фиг.1) по продуктивному угольному пласту любого метаморфизма и одновременно по более проницаемой вмещающей породе позволяет ударной волне, возникающей после образования плазмы, радиально беспрепятственно проникать в пласт и вмещающие породы и, при периодическом повторении импульсов, многократно создавать сжимающие и растягивающие напряжения, что позволяет за счет синергетического эффекта: микротрещиноватость, кавитация, тепломассообмен, снятие поверхностного натяжения в капиллярах, появление концентрационно-диффузионной силы, накопленной сторонней энергии максимально извлекать метан, не прибегая к дополнительным другим геолого-техническим мероприятиям.
Указанный способ имеет прямой доступ к угольному пласту и проницаемым вмещающим породам через щелевую перфорацию, учитывает физические, механические и геолого-технические особенности угольных пластов, а также проницаемых вмещающих пород и, в результате направленного периодического широкополосного импульсного воздействия по разработанной программе и математической модели, создает эффект самомодуляции угольных пластов, сопровождаемый активной десорбцией и диффузией метана.
Программой широкополосного, периодического плазменно-импульсного воздействия, подведенного к угольному пласту через щелевую перфорацию для максимального извлечения метана, органично используются следующие природные специфические особенности:
- не разгруженная от горного давления угольная залежь, зажатая вмещающими породами, представляет собой пористую систему, зачастую менее плотную, чем толща пород;
- флюид (вода), пронизывающий угольную залежь, его распространение по вертикали контролируется капиллярными и гравитационными силами;
- угольные пласты с меньшей проницаемостью отличаются большим капиллярным давлением, и наоборот, угольные пласты и породы с большей проницаемостью имеют меньшее капиллярное давление;
- капиллярное давление растет со снижением водонасыщенности угольного пласта и способствует процессу десорбции и диффузии газа;
- механическая прочность угля намного ниже, чем у других пород, и он не способен выдерживать высокий градиент воздействия, не разрушаясь. Установлен парадокс известный как эффект П.В. Бриджмена, а именно разрыв связей в угле происходит при снятии напряжения, а не при приложении. В этих условиях уголь разрушается на вафлеподобные пластины;
- угольный пласт, находясь в напряженном состоянии и имея повышенную звукопроводность, обладает свойствами неравновесной, диссипативной передаточной среды, в которой природный частотный хаос поддерживается подпиткой внешней энергии (приливы-отливы, удаленные землетрясения, взрывные работы на удаленных разрабатываемых площадях);
- по электрическим свойствам большинство углей относятся к полупроводникам и проводникам. При плазменно-импульсном воздействии на угольный пласт или вмещающую проницаемую породу, возникают механические и концентрационно-диффузионные силы, связанные с перемещением заряженной жидкости в пористой флюидонасыщенной среде. Появляются сторонние силы, имеющие электрокинетическое происхождение, которые при каждом импульсе создают электрическое поле, происходит его переход в энергию другого поля, а при прекращении импульсного воздействия, накопленная сторонняя энергия возвращается, с некоторыми потерями, к своей первоначальной форме.
Газонасыщенность метаноугольных пластов складывается из четырех составляющих:
- свободный газ, заполняющий поры и трещины, 5-6%;
- газ, адсорбированный на стенках микропор, капилляров и трещин (физическая сорбция и объемное заполнение), 28-35%;
- газ, находящийся в объеме угля в растворенном виде, 40-50%;
- газ, частично растворенный в пленках воды, при этом, согласно закону Генри, растворимость газа в водных растворах повышается прямо пропорционально давлению с глубиной, 3-8%.
В газоносных пластах основная масса молекул метана распределена в объеме угля, и к системе «метан-уголь» применимо понятие твердого раствора внедрения. Внедрившиеся в объем молекулы метана занимают не пустоты в кристаллической решетке, а вакансии в твердом теле в соответствии с сорбционной кривой для угольных пластов.
-6
Существует лишь единственный способ выделения газа - это диффузионный механизм. Для его запуска необходимо, чтобы уголь при разгрузке подвергся диспергированию с образованием частиц размером примерно 10 см. Концентрация метана в угле упадет в разы, и он перейдет в свободное состояние.
Единственным механизмом, способным привести к диспергированию угля и развитию аномальной сети микротрещиноватости, является взрыв пузырьков газа, вкрапленных в структуру угольного пласта, которые начнут активно выделяться при периодическом направленном широкополосном плазменно-импульсном воздействии, имеющем прямой доступ к угольному пласту через щелевую перфорацию, создавая акустическую и гидродинамическую кавитацию.
Вода, пронизывающая угольный пласт с растворенным газом, обладает низкой прочностью, что связано с наличием в ней кавитационных зародышей: плохо смачиваемые поверхности угля, угольные частицы с трещинами и микротрещинами, которые заполнены газом.
2
При образовании плазмы в районе рабочего щелевого интервала происходит излучение звука в жидкость со звуковым давлением свыше 100 дцБ, что приводит к образованию кавитационных пузырьков во время полупериодов разрежения на кавитационных зародышах газовых включений, содержащихся в жидкости и на колеблющихся поверхностях акустического излучателя. Пузырьки захлопываются во время полупериодов сжатия, создавая кратковременное за одну микросекунду давление до 10000 кг/см, которые способны разрушить более прочные материалы, чем уголь.
При испытании на стенде широкополосного плазменно-импульсного прямого периодического воздействия на образцы угля, находившиеся в зоне ударной волны, подтвержден диспергирующий эффект, а также расслоение угля на вафлеподобные пластины (см. фиг. 2)
Томографическое просвечивание образцов, подвергшихся плазменно-импульсному периодическому широкополосному воздействию через щелевую перфорацию, показало развитие микротрещиновантости в образце, при этом большинство микротрещин располагались ортогонально направлению напластования (фиг. 3).
Применение технологии плазменно-импульсного воздействия в скважине УМ-5.9, имеющей щелевую перфорацию, на Таллинской площади в Кузбассе подтвердило увеличение проницаемости после воздействия на 6 метаноугольных пластах (см. фиг. 4).
Применение технологии плазменно-импульсного воздействия в Китае, в уезде Пиндиншань в пластах, имеющих проницаемость 0,014 мД, подтвердило увеличение проницаемости пласта поступлением метана в скважину и распространением сжимающих и растягивающих напряжений на расстояние более 200 метров, которые сопровождались активным выделением метана (фиг. 5).
Экономическая эффективность, достигаемая при реализации данного изобретения, сводится к максимальному объему добываемого газа как из угольных пластов, так из более проницаемых вмещающих пород, при минимальных энергозатратах, высокой безопасности и экологичности процесса.
Эффективность достигается за счет того, что осуществляют:
- бурение вертикальной скважины на предварительно исследованной метаноугольной залежи (либо уже используют старую разработанную/неразработанную скважину),
- определение мощности пласта в разрезе скважины,
- определение марочного состава углей, пластового давления, температуры, гидрологии, пористости и проницаемости угольных пластов и вмещающих пород;
- определение газонасыщенности угольных пластов,
- подведение к метаноугольной залежи, включая непосредственно угольный пласт и проницаемые вмещающие породы, через щелевую перфорацию рабочего интервала вертикальной скважины источника периодических направленных широкополосных коротких импульсов высокого давления,
- воздействие на пласт и проницаемые вмещающие породы энергией плазмы, образуемой взрывом калиброванного металлического проводника, в виде периодических направленных сжимающих и растягивающих коротких импульсов высокого давления, при этом количество импульсов высокого давления и длительность воздействия в каждом интервале метаноугольной залежи определяется мощностью пласта в разрезе скважины, петрофизическим и марочным составом углей, а также геолого-техническими характеристиками вмещающих проницаемых пород.
Добыча метана предлагаемым способом осуществляется на не разгруженной от горного давления метаноугольной залежи через вертикальные скважины, пробуренные с дневной поверхности, обсаженные различными по диаметру эксплуатационными колоннами, имеющими щелевую перфорацию в районе рабочего интервала, разгружающую как угольный пласт, так и проницаемые вмещающие породы.
На фиг. 1 показана схема результата периодического воздействия энергии плазмы на угольную залежь. В данном случае берется готовая скважина (предварительно пробуренная), определяют мощность пласта в разрезе скважины, выясняют марочный состав угля, характеристику проницаемых вмещающих пород, после чего подводят к метаноугольной залежи через щелевую перфорацию рабочего интервала вертикальной скважины источник периодических направленных коротких широкополосных импульсов высокого давления и начинают воздействие на пласт в виде периодических направленных коротких импульсов высокого давления, при этом количество импульсов высокого давления и длительность воздействия в каждом интервале метаноугольной залежи определяется мощностью пласта в разрезе скважины, марочным составом углей и характеристикой вмещающих пород. Источник периодических направленных широкополосных коротких импульсов высокого давления воздействует энергией плазмы, образуемой взрывом калиброванного металлического проводника. По своей сути источник периодических направленных коротких импульсов высокого давления представляет собой генератор плазменно-импульсного воздействия. Обычно такой источник работает следующим образом. Ток высокого напряжения - 3000-5000 В - от батареи накопительных конденсаторов подается на электроды, которые замыкаются калиброванным проводником, что приводит к его взрыву и образованию плазмы в замкнутом пространстве. Во время взрыва происходит освобождение энергии, переходящей в состояние сильно нагретого газа с очень высоким давлением, который, в свою очередь, формирует ударную волну, воздействующую с большой силой на окружающую среду, вызывая ее сжатие, которое продолжается, пока давление в ударной волне не сравняется с пластовым давлением, после чего начинается процесс растяжения пласта в сторону скважины с источником возбуждения. Многократное повторение периодических широкополосных коротких импульсов в среде, имеющей хорошую электропроводность и звукопроводность, вызывающих сжимающие и растягивающие напряжения, приводит к развитию сети аномальной микротрещиноватости в пласте, кавитации, тепломассообмену, самомодуляции пласта, что способствует максимальной десорбции метана.
В случае наличия более проницаемых вмещающих пород плазменно-импульсное воздействие проводится также в этих породах, поскольку метан диффундирует в более проницаемые породы, при этом его объем может превосходить объем метана в угольном пласте. Проницаемые вмещающие породы ведут себя как нефтегазовый продуктивный коллектор, который не имеет угольной пыли, и, следовательно, газоотдача будет максимальной.