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

Изобретение относится к способам добычи метана из угольных пластов путем периодического воздействия энергией плазмы, подведенной к продуктивной залежи и получаемой от взрыва калиброванного металлического проводника, что приводит к созданию направленных коротких импульсов высокого давления в генераторе плазменно-импульсного воздействия, размещенном в рабочем интервале вертикального ствола скважины, с целью создания кливажа по радиальной латерали, десорбции метана из угля, воды и породы.
Известно, что все известные способы добычи газа метана из угольных пластов заключаются в:
- вымывании пласта вокруг скважины при помощи спонтанных выбросов угля и газа;
- провоцировании и поддержании саморазрушения с формированием коллекторной зоны с помощью гидродинамического воздействия;
- закачке в угольный пласт воды и воздуха, а также углекислого газа;
- добыче газа метана из горизонтальных скважин с предварительной дегазацией и осушением угольных пластов;
- образовании полостей вокруг скважины;
- добыче газа метана через дегазационные скважины;
- гидроразрыве угольных пластов
(Метановый рай Газпрома. Газовики осваивают технологию добычи метана из угольных пластов. -  (издание о бизнесе и технологиях). - 10.02.2010; Особенности заблаговременной дегазации угольных пластов метаном бурения скважины с поверхности (УДК 622.17.47(73)(061.3) / Ответы на вопросы «Глюкауф», Пол Сикора, Денис Смыслов, Ольга Плетнет. - Глюкауф. - №1. - Март 2008; и Гроссов А.И. Геолого-промышленная оценка ресурсов метана угольных бассейнов Приморья/Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. - Владивосток, 2006).
Однако данные способы являются дорогостоящими, трудоемкими, экологически небезопасными, энергозатратными и малоэффективными.
Известны также способы 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 А1), 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 многочастотные колебания, выделить доминантную частоту не представляется возможным и, следовательно, решить проблему увеличения проницаемости на значительном удалении от источника возбуждения.
Все известные методы извлечения метана основаны на принципах линейной физики, линейной зависимости, когда коэффициенты в математических функциях постоянны.
Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что он не имеет аналогов, т.к. основан на принципах нелинейной физики, когда коэффициенты в математических функциях зависят исключительно от времени. Кроме того, предлагаемый способ является высокоэффективным, экологически безупречным, энергосберегающим, технологически прост, безопасен в эксплуатации и не требует капитальных затрат.
Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, сводится к увеличению количества добываемого газа, при минимальных энергозатратах и высокой безопасности процесса.
Технический результат достигается за счет того, что осуществляют:
- бурение вертикальной скважины в месте метано-угольной залежи (либо уже используют старую разработанную/неразработанную скважину),
- определение мощности пласта в разрезе скважины,
- определение марочного состава углей,
- подведение к метано-угольной залежи через рабочий интервал вертикальной скважины источника периодических направленных коротких импульсов высокого давления,
- воздействие на пласт энергией плазмы, образуемой взрывом калиброванного металлического проводника, в виде периодических направленных коротких импульсов высокого давления, при этом количество импульсов высокого давления и длительность воздействия в каждом интервале метано-угольной залежи определяется мощностью пласта в разрезе скважины и марочным составом углей.
Добыча метана предлагаемым способом осуществляется на не разгруженной от горного давления метано-угольной залежи через вертикальные скважины, пробуренные с дневной поверхности, обсаженные различными по диаметру эксплуатационными колоннами, а также в необсаженных скважинах.
Метано-угольная залежь рассматривается как природный, многослойный, нелинейный модуль объемной упругости, содержащий неравновесную газожидкостную динамическую среду, состоящую из нескольких фаз, которые взаимодействуют друг с другом, в том числе за счет искусственно созданных плазменных периодических коротких импульсов большого давления, проникают друг в друга; в результате плотность, вязкость, упругость, жесткость, электромагнитные и физико-химические свойства изменяются как в пространстве, так и во времени.
Не разгруженная от горного давления угольная залежь представляет собой пористую систему, менее плотную, чем вмещающие породы. Механическая прочность угля намного ниже, чем у других пород: он не способен выдерживать высокий градиент давления, не разрушаясь. Угольные пласты находятся в напряженном состоянии и, имея низкую проницаемость, обладают повышенной звукопроводностью, являются хорошим динамическим резонатором.
В неравновесной системе постоянно присутствуют незатухающие разночастотные колебания, вызванные естественной энергией, поступающей извне (приливы-отливы, удаленные землетрясения, взрывные работы в угольных шахтах и разрезах), в результате которых происходят колебания молекул воды, насыщенных метаном. Пленки воды с растворенным метаном пронизывают всю продуктивную залежь. Кроме того, газ метан присутствует в угле и породе, находится в газообразном, жидком и твердом состоянии на поверхности частиц. Содержание метана в угле колеблется в широком диапазоне - от 5-10% в бурых углях, 15-35% в каменных углях до 40-45% в сланцах.
Согласно закону Генри, растворенность газа метана в водных растворах повышается прямо пропорционально росту давления с глубиной. Породы и уголь ведут себя на глубине как вязкие жидкости. Присутствие воды делает всю систему как бы аморфной, в которой свободная энергия в условиях внешней нагрузки равна нулю.
Величина критического давления, называемого давлением разрыва угольного пласта, зависит от глубины его залегания, механической крепости, удельного веса перекрывающей толщи пород. Дополнительное давление разрыва сил сцепления между отдельными слоями и пачками углей равно, как правило, 1-2 МПа.
Основной особенностью неравновесных, динамических систем, к которым относится любая метано-угольная залежь, является то, что широкополосный, короткий плазменный периодический импульс высокого давления, подведенный к системе за счет энергии плазмы, приводит к значительным возмущениям в ближней и удаленной зонах дренирования. Уголь, обладая хорошей звукопроводностью, является передаточной средой для акустических волн, а звукопроводность вещества зависит от его плотности и упругости, возрастая с увеличением плотности проводящей среды.
На фиг.1 показана схема 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, после чего подводят к метано-угольной залежи через рабочий интервал вертикальной скважины источник периодических направленных коротких 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 метано-угольной залежи определяется мощностью пласта в разрезе скважины и марочным составом углей. Источник периодических направленных 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, с большой силой воздействует на окружающую среду, вызывая ее движение. Данный источник выделяет значительное количество энергии с высокой температурой (25000-28000°C) за короткий промежуток времени (50-53 мкс), формирует ударную волну с избыточным давлением, многократно превышающим пластовое.
При инициировании периодических широкополосных коротких импульсов энергии плазмы в рабочем интервале скважины происходит «захват» доминантной частоты, что приводит к эффекту нелинейного самовоздействия инициированной волны на основной частоте, когда изменение амплитуды и частоты волны происходит за счет интенсивности самой волны, преобладает над эффектом генерации высших гармоник.
При действии гармонической вынуждающей силы в динамической системе с нелинейной восстанавливающей силой всегда существуют стационарные колебания с круговой частотой, равной частоте вынуждающей силы. В результате синхронизации колебаний в угольной залежи развивается аномальная микротрещиноватость по вертикали и простиранию. Освобождаемый за счет кливажа из угля породы и выделения из воды газ метан появляется в виде пузырьковых зон. Возникают эффекты флотации и кавитации, что приводит к тепломассообмену и дальнейшему развитию микротрещиноватости без нарушения коллекторских свойств пластов.
При выделении метана из воды и пор в образовавшейся пузырьковой среде роль вибрационных сил на основании уравнения Рейнольдса играют турбулентные напряжения. Пузырьковая среда приобретает иные свойства. Коэффициенты отражения, поглощения и преломления полностью меняют свои характеристики, а все акустические колебания становятся низкочастотными с медленным затуханием. Хотя газ обладает наименьшей звукопроводностью, низкочастотные колебания могут распространяться на значительное расстояние, что приводит к увеличению дебита газа метана не только в обработанной скважины, но и в соседних скважинах.
После прекращения воздействия самомодулированная система за счет заданных колебаний будет выделять пузыри газа длительное время, вовлекая в работу значительную зону дренирования.
В отличие от добычи нефти и природного газа фильтрация метана не подчиняется закону Дарси. Поэтому при выводе скважины на режим эксплуатации необходимо руководствоваться законом Бойля-Мариотта, а именно: отношением объема газа (V) ко времени (t) его истечения.
Темпы вывода скважины на режим эксплуатации, равно как и время предварительного воздействия, зависят от марки углей, газонасыщенности, глубины залегания, толщины угольных пластов, а также конструкции скважины.
Предлагаемый способ можно применять в вертикальных, пробуренных с дневной поверхности скважинах, после вторичного вскрытия или на скважинах с открытым забоем, а также в скважинах, через которые применялись другие известные методы, но производительность скважины оставалось низкой или вообще отсутствовала.
Выше были раскрыты основные особенности способа добычи метана из угольных пластов, но любому специалисту в данной области техники очевидно, что на основе раскрытых данных можно создать вариации добычи метана из угольных пластов.