Некоторые результаты реализации проекта "Углеметан" и дальнейшее развитие исследований по заблаговременному извлечению метана из угольных месторождений

КРУГЛЫЙ СТОЛ

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98_________

Академик К.Н. Трубецкой, Ю.Н. Малышев, чл.-корр. РАН, В.В. Гурьянов, проф., д.т.н.,

ИПКОН РАН АГН РАН ИПКОН РАН

Б.М. Зимаков, к. г-м.н., В.Т. Хрюкин, к. г-м.н.,

ИПКОН РАН МГГА

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА "УГЛЕМЕТАН" И ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ЗАБЛАГОВРЕМЕННОМУ ИЗВЛЕЧЕНИЮ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Научно-технический проект «Разработка и освоение технологии заблаговременного извлечения (добычи) метана из угольных месторождений с применением специальных методов воздействия на горный массив» («Углеметан») включен в состав подпрограммы «Недра России» Федеральной целевой научнотехнической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» в 1996 году. Реализация проекта началась с 1997 года.

Детализированным календарным планом работ на 1997 год по научно-техническому проекту «Углеметан» предусматривалось выполнение 16 работ на сумму 5635 млн. руб., в том числе 5 работ за счет госбюджета на сумму 445 млн. руб. В прошлом году была значительно осложнена ситуация с реализацией проекта в связи с отказом одного из основных заказчиков - ОАО «Росуголь» от финансирования намеченных работ. В частности, не были профинансированы исследования ИПКОН РАН на 540 млн. «старых» рублей и МГГУ - на 500 млн. руб.

В связи с ухудшением ситуации с финансированием работ по проекту (по итогам заключения хоздоговоров с заказчиками) по согласованию с Миннауки России был разработан уточненный календарный план НИР на 19971998 годы, выполняемых за счет средств госбюджета.

В 1997 году фактически выполнялось 15 работ, в том числе 10 работ с привлечением средств федерального бюджета. Объем

финансирования проекта (по всем источникам) по состоянию на 15.12.97г. составил 8183 млн. руб., в том числе 787 млн. руб. -средства из госбюджета. В отчетном году завершено 7 работ, в том числе 5 НИР, финансировавшихся за счет бюджета. По остальным НИР, переходящим на 1998 год, выполнены соответствующие годовые этапы.

Основными исполнителями работы по проекту «Углеметан» в 1997 году являлись: ИПКОН РАН, МГГУ, МГГА, ЗАО «Метан Кузбасса», «Южсибгеология», ТОО «РИФ», ЦНИЭИуголь.

Проведенный в 1997 году комплекс исследований по проекту «Углеметан» был направлен прежде всего на создание необходимого научно-методического задела для последующего развития работ по основным разделам этого проекта. Работы выполнялись по следующим 4-м направлениям:

♦ геологическому;

♦ научно-аналитическому;

♦ производственно-технологическому;

♦ эколого-экономическому.

По первому направлению

Обоснованы и разработаны концепция, основные принципы и критерии оценки перспективности метано-угольных месторождений по промысловой добыче метана, основными из которых являются: метаноносность угольных пластов, масштабность и плотность ресурсов метана, угленосность продуктивных горизонтов, мощность и глубина залегания угольных пластов, зольность и степень метаморфизма углей.

Разработаны принципы геоло-

го-промысловой типизации угольных бассейнов, месторождений и площадей, перспективных по промышленному освоению ресурсов угольного метана. Обоснован перечень и предложена систематизация этих объектов по особенностям их геологического строения, геолого-промысловым характеристикам и перспективности по развитию промысловой добычи метана. Установлено 4 уровня перспективности метаноугольных месторождений по их промышленному освоению для добычи метана.

Проанализированы геологоразведочные данные по мета-ноносности основных угольных бассейнов и месторождений России, дана характеристика прогнозных ресурсов метана в наиболее перспективных регионах. Показано, что Кузбасс является крупнейшим метано-угольным бассейном мира (прогнозные ресурсы метана до глубины 1800 м составляют 13 трлн. м3). Обобщены и обоснованы данные по распределению ресурсов метана в наиболее перспективных районах Кузбасса, Восточного Донбасса и Печорского бассейна. Разработаны и обоснованы характеристики распределения прогнозных ресурсов метана и представлены данные о их масштабности и плотности (концентрации) в угольных пластах основных районов Кузбасса.

Пробурена пилотная керновая скважина «Талдинская Глубокая 16116» глубиной 1,4 км, подтвердившая геологические прогнозы по угленосности, характеристикам угольных пластов, качеству углей и метаноносности Талдинского угольного месторождения Кузбас-

са. Скважиной вскрыто 27 угольных пластов общей мощностью 78,4 м и газоносностью (на глубинах более 390 м) от 10 до 22 м3/г. Выявлено высокое давление газа в пластах, нарастающее с увеличением глубины их залегания (от 3,4 до 13,2 МПа). Установлена повышенная проницаемость (20-30 мД и более) угольных пластов. Совокупность установленных характеристик Талдинского угольного месторождения подтверждает обоснованность прогнозов перспективности этого месторождения по промысловой добыче метана из угольных пластов, находящихся за пределами влияния подземных горных работ.

Кроме того начаты исследования по разработке методики и критериев оценки перспективности метано-угольных месторождений для промысловой добычи метана с учетом геодинамических факторов и их влияния на газопроницаемость и газоотдачу, а также рекомендаций по совершенствованию технологии бурения при разведке метано-угольных месторождений.

По второму направлению

Выполнены обобщение и анализ результатов научных исследований и натурных экспериментов на шахтных полях Донецкого и Карагандинского угольных бассейнов, а также опыта нефтегазовой промышленности по разработке методов интенсификации извлечения из недр нефти и газа. Установлено, что промышленная добыча метана из угольных месторождений может быть осуществлена через скважины, пробуренные с земной поверхности с применением искусственных воздействий на угольные пласты рабочими жидкостями и газами и использованием активных химических реагентов, повышающих газоотдачу угля.

Осуществлено экспортирование 9 предпожений по новым способам воздействия на горный массив с целью повышения газоотда-чи угольных пластов. Эти предложения разделяются на группы.

48

К 1-ой группе предложений, имеющих необходимый научный задел, достаточно высокую техническую готовность, положительные результаты испытаний в других отраслях, относятся: пневмогидровоздействие, электровоздействие, ультразвуковое воздействие, а также их комбинации с гидровоздействием (разработки МГГУ, ТОО «РИФ», ГМНПП «Энергомаг» и др. организаций). Перспективны и остальные предложения, однако они требуют дополнительной научно-технической проработки. Даны рекомендации по дальнейшему развитию методов воздействия на угольные пласты, основанных на применении гидроразрыва, а также новых способов воздействия: акустического, виброволново-го и электровоздействия.

Начаты работы по научному обоснованию новых способов стимулирования газоотдачи угольных пластов, включающие исследования газовой проницаемости и газодинамики угольных пластов в различных природных и производственно технических условиях, влияния диффузионно-кинетических параметров углей на интенсивность газоотдачи пластов, а также условий распада твердых углегазовых растворов углей с целью обоснования рациональных методов воздействия на угольный пласт.

По третьему направлению

Обоснованы принципы создания опытно-промышленных полигонов для отработки, испытания и освоения перспективных технологий заблаговременного извлечения (добычи) метана из угольных месторождений. Разработаны требования к документации по проектированию и сооружению полигона и «Эталон обоснований инвестиций в строительство полигона». Определены и обоснованы основные критерии выбора месторасположения опытно-промышленного полигона и его важнейших параметров. Даны рекомендации по определению наиболее перспективных высокога-зоносных угольных месторождений (их участков) для создания опытно-про-

мышленных полигонов.

Также начаты НИР по разработке новых методов воздействия на горный массив с целью интенсификации процессов извлечения угольного метана и их экспериментальным исследованиям в натурных условиях. В частности, начаты натурные эксперименты по повышению газоотдачи угольных месторождений с использованием электровоздействия на пласт в условиях Карагандинского угольного бассейна, а также осуществлены подготовительные работы на участке доразведки поля шахты «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» по проведению натурных экспериментов с использованием пневмогидровоздействия на угольный пласт.

По четвертому направлению Начаты исследования по оценке экологической опасности заблаговременного извлечения (добычи) метана из угольных пластов с применением специальных методов воздействия на углевмещающую толщу и разработке методики оценки экономической эффективности заблаговременного извлечения метана из угольных месторождений.

В 1997 году вследствие недостаточности выделенных госбюджетных средств не выполнялась работа: «Сопоставительная оценка экономической эффективности добычи природного газа в сложных горно-геологических и природноклиматических условиях (месторождения с низкопроницаемыми коллекторами, расположенные на больших глубинах и на шельфе морей, малые месторождения и т.д.) и промысловой добычи метана угольных пластов.

В 1998 году предполагается проведение НИР, определенных утвержденной программой реализации проекта "Углеметан".

В частности, необходимо в основном завершить цикл исследований по геологическим вопросам развития промысловой добычи метана из угольных месторождений; развернуть комплекс теоретических и лабораторных исследований состояния системы

ГИАБ

«уголь-метан» в различных горногеологических условиях и закономерностей ее распада при искусственных воздействиях, а также оценке диффузиоино-кинетичес-ких параметров углей различных марок (от Д до ПА и А), залегающих в основных угольных бассейнах России, с целью прогнозирования газоотдачи перспективных месторождений (их участков) и разработки научного обоснования перспективных способов интенсификации газоотдачи угольных пластов.

Также предполагается провести лабораторные исследования газовой проницаемости угля при сложном напряженном состоянии и механизма притока метана к промысловой скважине в условиях неразгруженного горного массива, которые должны осветить вопросы фильтрации газа в пласте и дать необходимые обоснования методов расчета технологических параметров газодобычных скважин.

В этом году планируется расширить натурные эксперименты по оценке эффективности применения новых методов воздействия (пневмогидровоздейсгвие, электровоздействие, ультразвуковое и др.) на высокогазоносные пласты Кузбасса и Воркуты. Намечается продолжите работ по обоснованию и выбору рационального варианта создания опытно-промышленного полигона и эколого-экономичес-кой оценке эффективности заблаговременного извлечения метана.

Проектом календарного плана НИР на 1998 год намечается выполнить объем работ на сумму по-рвдка 12 млрд. неденоминированных рублей, в т.ч. около 1,5 млрд. руб. за счет средств Мин-нау-ки; 2,3 млрд. руб. из внебюджетных источников и 8,5 млрд. руб. - капвложения (бурение скважин). Эти цифры представляют из себя сумму имеющихся хоздоговоров с заказчиками и наших заявок в Минтопэнерго РФ (Департамент угольной промышленности).

Анализ первых результатов проведенных в 1997 году работ,

новой научно-технической информации и перспектив дальнейшего развития исследований по проблеме заблаговременного извлечения метана из газоносных угольных месторождений свидетельствует о необходимости включения в программу реализации проекта «Углеметан» новых работ.

В связи с намечаемым с 1998 года расширением работ по натурным исследованиям перспективных видов искусственных воздействий на угольный пласт с целью повышения интенсивности его газоотдачи и предстоящим выбором рационального варианта (или нескольких вариантов) опытно-промышленного полигона для испытания, отработки параметров и освоения новых технологий заблаговременного извлечения (промысловой добычи) метана из угольных месторождений приобретает особую актуальность задача комплексного проведения этих работ. Опыт зарубежных стран и отечественной нефтегазовой промышленности свидетельствуют о целесообразности планирования и проведения указанных комплексных исследований на основе использования результатов имитационного моделирования поведения системы «горный массив-скважина» в различных горногеологических и производственнотехнических условиях.

При формировании проекта "Углеметан" была установлена необходимость проведения теоретических исследований газодинамики угольного пласта в природных условиях и при применении искусственных воздействий для определения на основе математического моделирования с использованием ЭВМ оптимальных параметров способов извлечения метана из угольных месторождений.

Как уже было сказано, в 1998 году намечается проведение первых работ, направленных на решение этой задачи.

Однако анализ результатов исследования первой разведочной (на угольный метан) скважины на Талдинском угольном месторож-

дении в Кузбассе и намечаемой программы промыслово-технологического опробования этого месторождения свидетельствуют о необходимости разработки научно обоснованных подходов (рекомендаций) по планированию указанных работ и определению порядка отбора метана из углевмещающей толщи.

Опыт разработки газовых месторождений показывает, что извлечение из недр природного газа и сопровождающей его воды также как и при добыче угля приводит к существенному изменению состояния горного массива и значительным просадкам земной поверхности. Следовательно при отборе метана из углевмещающей толщи может проявляться эффект надработки-подработки пластов с появлением соответствующих позитивных и негативных факторов, влияющих на газоотдачу пластов и эффективность работ по извлечению метана.

Из этого вытекает необходимость углубленного исследования напряженно-деформированного состояния углевмещающей толщи и его изменения при отборе метана из угольных пластов. В частности, в первоочередном порядке следовало бы провести работы по созданию системы мониторинга развития геомеханических и газодинамических процессов в горном массиве при отборе газа из угольных пластов и разработке методов их прогноза для различных горногеологических и производственнотехнологических условий. Также необходима разработка соответствующих компьютерных программ для анализа результатов мониторинга геомеханических и газодинамических процессов в горном массиве и моделирования их изменения при использовании тех или иных технологий извлечения метана из угольных пластов.

Исследования, разработки и промышленные эксперименты по заблаговременной дегазации угольных месторождений, а затем и по заблаговременному извлечению (промысловой добыче) метана из угольных пластов на протя-

жении многих лет базировались и осуществляются поныне (за исключением ряда единичных экспериментов) на основе использования вертикальных скважин, пробуриваемых в углевмещающую толщу с земной поверхности.

Однако за последние годы техника бурения нефтяных и газовых скважин, разработка способов и схем их расположения на месторождении существенно продвинулись вперед.

Разработаны и интенсивно внедряются в производство способы проведения наклонных скважин с горизонтальным окончанием ствола (при этом горизонтальная часть скважин может достигать 7 км), веерное (кустовое) расположение скважин и т.п.

Зарубежный и отечественный опыт применения скважин с горизонтальным окончанием ствола свидетельствует, что их стоимость в (равнении с вертикальными скважинами увеличивается лишь на 25-30%, а эффективность применения возрастает в десять раз. Опыт дегазации угольных шахт и методов борьбы с газодинамическими явлениями с применением скважин, бурящихся по угольным пластам и вмещающим породам, а также интенсивное развитие технологий и оборудования доя проведения скважин сложного профиля и высокая эффективность их применения для извлечения углеводородов из недр позволяют считать весьма перспективной задачу использования таких скважин для разработки но-

вых технологий заблаговременного извлечения (промысловой добычи) угольного метана. Следовательно необходимо развивать исследования и в этом направлении.

Изложенное позволяет сделать вывод, что решение проблемы создания новой энергетической подотрасли в нашей стране (добыча и использование угольного метана) должно основываться на использовании последних достижений во всех сферах горной науки и практики, а не только на разработке и применении новых видов искусственных воздействий на угольный пласт для интенсификации его газоотдачи.

Несколько слов о некоторых организационно-методических вопросах решения проблемы угольного метана.

Год назад, на «Неделе горняка — 97» нами было выдвинуто предложение о создании единой комплексной программы решения проблемы извлечения и использования угольного метана. Эта идея нашла отклик в ведущих институтах России (ИГД им. А.А. Ско-чинского, МГГУ и ряде других), а также была поддержана Минтопэнерго РФ. За истекший период группой специалистов под руководством проф. Ю.Л. Худина была разработана и недавно утверждена «Концепция комплексного решения проблемы извлечения и использования метана угольных шахт России». Минтопэнерго РФ на основе указанной концепции предложено сформировать комплексную программу исследова-

ний и разработок по проблеме «Извлечение и использование метана угольных пластов». Разработка и реализация такой программы позволит ускорить решение проблемы повышения безопасности и эффективности работ по добыче угля на шахтах, вовлечь в хозяйственный оборот огромные ресурсы нетрадиционного энергоносителя - угольного метана и значительно снизить экологическую опасность, особенно в угледобывающих регионах.

Представляется, что формирование этой программы должно осуществляться на основе имеющихся планов исследований и разработок в этой области при обеспечении их должной скоординированности, учете результатов работ, выполненных в последние годы, и новых задач, выдвигаемых наукой и требованиями производства, в том числе и высказанных в данном докладе. Опыт ИПКОН РАН по формированию программы реализации проекта «Углеметан» свидетельствует о сложности предстоящей работы и необходимости ее соответствующей поддержки.

Также считаем целесообразным на основе действующего Проблемного совета АГН по заблаговременному извлечению метана из угольных месторождений создать Научный совет Минтопэнерго РФ и Академии горных наук по проблеме «Извлечение и использование метана угольных месторождений».

© К.Н. Трубецкой, Ю.Н. Малышев, В.В. Гурьянов, Б.М. Зимаков, В.Т. Хрюкин