Геодинамические методы оценки распределения метана в каменноугольных месторождениях и мероприятия по интенсификации метанопритоков при скважинных методах дегазации

ёЕ.В.Гончаров, С.В.Цирель

Геодинамические методы оценки.

Горное дело

УДК 622.324.5.004.14

ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТАНА В КАМЕННОУГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ИНТЕНСИФИКАЦИИ МЕТАНОПРИТОКОВ ПРИ СКВАЖИННЫХ

МЕТОДАХ ДЕГАЗАЦИИ

Е.В.ГОНЧАРОВ, С.В.ЦИРЕЛЬ

Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия

В статье рассматриваются формы содержания метана в угольной толще, показана существенная зависимость внутрипластовой миграции азов от форм порового пространства и петрографических особенностей углей. Указывается на преобладание абсорбированного метана в кузнецких углях. Описываются различные формы диффузии и фильтрации угля, их зависимости от геологических и термодинамических условий. Обоснован приоритет геодинамических процессов при формировании метановых коллекторов, применимость методов морфо-метрии и обработки данных дистанционного зондирования для их обнаружения. Обоснована актуальность исследований процессов, активизирующих экзотермические реакции, приводящие к переходу метана в свободное состояние. Представлены результаты внедрения способа сейсмоакустического воздействия как одного из практических подходов к решению этого вопроса.

Результаты успешного промышленного опробования сопоставлены с результатами численного моделирования напряженно-деформированного состояния, управление которым также возможно с применением сейс-моакустического воздействия.

Ключевые слова: метан, угольные пласты, дегазация, геомеханические и геодинамические процессы, интенсификация газопритоков.

Как цитировать эту статью: Гончаров Е.В. Геодинамические методы оценки распределения метана в каменноугольных месторождениях и мероприятия по интенсификации метанопритоков при скважинных методах дегазации / Е.В.Гончаров, С.В.Цирель // Записки Горного института. 2016. Т. 222. С. 803-808. DOI 10.18454/РМ1.2016.6.803

Введение. В настоящее время большая часть аварий с массовой гибелью людей не только в угольной, но и во всей горно-рудной промышленности приходится на взрывы метана и вызванные ими пожары и обрушения. Существующие и разработанные в последние методы дегазации (Н.В.Ножкин, С.В.Сластунов, К.С.Коликов, А.С.Серегин), применяющиеся в различных технологических комбинациях гидроразрывы и просто повышение внимания к соблюдению норм проветривания заметно снизили количество аварий, но не решили проблему. Как показала последняя катастрофа на шахте «Северная», метановые аварии и последующие длительные пожары происходят не только на пластах, частично дегазированных без разгрузки, но также и на подработанных пластах, в оптимальных условиях для эффективной дегазации. Метановые аварии, хотя на порядок реже, чем в России, происходят и на шахтах США и Китая [16, 21, 23], где ведется длительная предварительная дегазация.

Для повышения эффективности дегазации необходимо снова проанализировать основные сведения о формах размещения в угольных залежах и вмещающих породах, а также о механизмах миграции метана на различных угольных месторождениях, Как известно, угольный метан образует как самостоятельные метановые месторождения за пределами осваиваемых площадей угольных бассейнов, так и является второй после угля энергетической составляющей угольных пластов газоугольных месторождений [1]. Угольный метан также образует самостоятельные микрозалежи как в угле, так и во вмещающих породах угольных свит. При этом все же основная часть ресурсов метана приурочена к угольным пластам и пропласткам и влияет на безопасность ведения горных работ. Месторождения каменных углей с высоким содержанием метана, доступного для экономически выгодного извлечения, можно отнести к смешанным угольно-метаноугольным месторождениям.

Однако в отличие от США и Австралии [24-25], в условиях угольных бассейнов на территории России таких месторождений пока обнаружить не удалось. Геологические условия месторождений угольного метана близки к условиям собственно метановых месторождений,

ёЕ.В.Гончаров, С.В.Цирель

Геодинамические методы оценки.

но имеют принципиальные различия, из-за которых применение технологий интенсификации метанопритоков, используемых на газодобывающих скважинах России (и мира), оказывается малоэффективным.

Методы исследований. Анализ форм содержания в угольных пластах. По-видимому, первая и основная причина таких различий заключается в формах нахождения угольного метана в угленосной толще. Содержание и формы нахождения метана в углях в первую очередь определяются их генетическим типом, петрографическим составом и стадией метаморфизма (фазовых преобразований), а также глубиной залегания и геодинамическими условиями. Зависимость форм нахождения от стадии метаморфизма показана в табл.1 [13, 14].

Таблица 1

Формы нахождения угольного метана в угольных пластах

Стадии фазовых преобразований Формы нахождения и долевое участие метана, %

Адсорбированный (в надмолекулярных агрегатах) Абсорбированный Свободный

2Г-ЗГ 30-40 15-35 15-40

4Ж-5К-60С 15-40 20-40 15-25

7-8Т-9-10А 10-15 40-60 25-35

Стадии метаморфизма не определяют в полной мере формы нахождения метана в угольных пластах, не меньшую роль играет их петрографический состав и структура. Метан однородных клареновых донецких и кузнецких углей находится в составе устойчивых надмолекулярных агрегатов; в виде подвижной фазы (флюида), сорбированной на внутренней поверхности угля; в виде свободных газов, распределенных в открытых взаимосвязанных или закрытых полостях (порах и трещинах).

Свободный метан и водометановые флюиды в угольных пластах находятся в кавернозно-поровых, трещинно-поровых, трещинных, послойно-трещинных и послойных полостях, составляя в кузнецких углях от 3-5 до 12-15 % от общих ресурсов метана. Различные формы сорбированного метана образуют тонкие молекулярные пленки на внутренних поверхностях полостей. Сорбированный метан составляет более 40 % от его общего количества. Химически не связанный метан в составе псевдоклатратов составляет от 5 до 20-30 %. В общей сложности физически связанный метан в кузнецких углях составляет в среднем от 60 до 70 %. Молекулярно (химически) - связанный (адсорбированный) метан в количестве от 5 до 10 % частично отделяется от угольной толщи при интенсивных лавинно-протекающих процессах внезапных выбросов, а также с малой скоростью от кусков раздробленного и разгруженного угля.

Анализ форм миграции метана. Внутрипластовая миграция газов, определяющая формирование пластовых микрозалежей, незначительна и обусловлена наличием каналов (проницаемых пор). Проницаемость каналов определяется их эффективным сечением: кнудсеновские - фольмеровские - броуновские поры по возможным формам движения молекул метана малоэффективны; лишь начиная с поперечника 100 мкм возможно пуазейлевское свободное течение газа (табл.2) [14, 15].

Анализ давления газа в угольных пластах и вмещающих породах и его влияние на формы миграции. Давление газа в угольных пластах в значительной мере определяет соотношение свободной и связанных форм. Доля свободного газа увеличивается до максимума 10-15 % при давлениях метана в угольных пластах, составляющих на глубинах: 500-600 м - 4-6 МПа; 600-700 м - 6-8 МПа; 700-800 м - 7-9 МПа; 800-1000 м - 8-11 МПа и более 1000 м - 9-14 МПа. Остаточное давление в толще в среднем составляет около 1,0-1,2 МПа [1, 15].

Давление газов, находящихся в углевмещающих породах, также определяется глубиной их залегания, исключая зоны аномально высокого пластового давления (АВПД). Большое значение в оценке ресурсов имеют проявления аномально-высоких пластовых давлений на глубинах более 600-700 м. Величина АВПД может многократно (в десятки и сотни раз) превышать средние давления на соответствующих глубинах. АВПД определяет резкое повышение удельных запасов газов в локальных залежах (микрозалежах) метана и их эффективное использование [1, 7, 15, 17, 18, 20]. В горных выработках зоны АПДВ являются основным источником мощных суфляров.

ёЕ.В.Гончаров, С.В.Цирель

Геодинамические методы оценки.

Роль градиента давления вне очагов АВПД в пределах ненарушенного трещинами угольного пласта в внутрипластовом движении газов сказывается лишь на небольших расстояниях (доли и единицы метров). Только системы трещин и разрывы расширяют дальность миграции газов и способствуют возникновению выбросов различной интенсивности.

Таблица 2

Характеристика порового пространства ископаемых углей в связи с их газогенерацией

Полости

Размер, мкм

Место, форма, особенности проявления

Связь с газоносностью. Формы движения

Методы исследования

Полостное (поровое) внутриагрегатное и межагрегатное пространство

Молекулярные поры

Ультромик-ропоры фольме-ровские

Мезомикропоры кнудсеновские

Броуновские

Пуазейлевские

Микропоры

Трещинное и межслоевое пространство

0,00050,00007 и менее

0,001-0,01

0,001-0,1

0,1-1,0

1,0-10,0

Более 10

В молекулярной, макромолеку-лярной и межмолекулярной структурах

Удлиненные поры в структуре с преобладанием поверхностных процессов

В бесструктурном витрините с равновесным отношением поверхностных процессов и процессов вязкостного течения

Поры коллоидной и кристаллической структуры витринита с преобладанием молекулярного движения

В структуре фрагментов витринита и в бесструктурной массе. Преобладает вязкостное течение

В структуре фюзинита, семифю-зинита, семи- и структурного витринита

Молекулярно связанный, клатратный и сорбированный. Диффузная и молекулярная миграция

Преобладающая часть сорбированного газа, не выделившегося при разрушении угля

Большая часть сорбированного газа, выделяется в лавинно-протекающих процессах с интенсивным диспергированием

Меньшая доля газа свободно мигрирующего в газоносной системе замкнутого пласта

Свободно выделившийся газ

Газ, не всегда свободно выделявшийся

Физико-химические; дифрактометрические; просвечивающей электронной микроскопии

Физико-химические и растровой электронной микроскопии РЭМ, ПЭМ и ОЭМ

Физико-химические, РЭМ и оптической микроскопии

Физико-химические, физические, растровая электронная и оптическая микроскопия

Физические и физико-химические, РЭМ и ОМ

Полостное межслоевое, трещинное и сложное межагрегатное пространство

Зияние 0,01-10,0

Секущие послойные, межслойные и внутрислойные. Поверхностные процессы уменьшаются, вязкостное течение преобладает

От сорбированного до свободного газа

Физические, физико-химические, ОЭМ и ПЭМ, РЭМ и ОМ

Возможность извлечения сорбированного (но химически не связанного) газа определяется формами движения его молекул: кнудсеновское - скольжение по поверхностям соединяющих каналов с отрывом молекул и образованием или замещением вакансий; фольмеровское - в процессе соударений молекул, скольжения по поверхностям каналов, послойного перемещения и др.; броуновское движение, проходящее как обмен радикалами. Поэтому при разработке методов дегазации и добычи метана не стоит ограничиваться только пуазейлевскими процессами и упускать из виду другие формы миграции через более тонкие поры, вплоть до неоднородностей кристаллической решетки.

Тем не менее, малая интенсивность диффузии и различных форм течения через тонкие поры делает весьма малоэффективным извлечение из угольного пласта молекулярно-связанного и сорбированного газа без активного воздействия на структуру угля. Данные лабораторных и натурных исследований показывают, что в естественном ненарушенном состоянии угли имеют низкую проницаемость. Основной механизм движения газа внутри угля происходит за счет механизма диффузии, а процесс фильтрации - в системе естественных трещин «кливажа» по закону Дарси:

Q = Л

ц I

где £ - площадь поперечного сечения образца; Р - давление на свободную поверхность жидкости, т.е. пропорционально давлению ЛР = (Р + ghp), вызывающему фильтрацию жидкости сквозь пористую среду на пути длиной I; ц - вязкость жидкости. При этом коэффициент диффузии уг-

ёЕ.В.Гончаров, С.В.Цирель

Геодинамические методы оценки.

лей чрезвычайно мал - в обычных условиях он составляет 10-11 с/см2, но при этом весьма существенно зависит от локальных изменений температуры и характера динамического воздействия. На это также указывает А.Н.Десяткин [8] , приводя данные лабораторных и натурных исследований, в которых показано, что в естественном ненарушенном состоянии угли имеют низкую проницаемость.

Результаты исследований. Проведенные исследования подтвердили мнение В.В.Кирюкова и его коллег [13-15] о важности петрографических исследований угля. В частности, исследования [13] еще раз экспериментально подтвердили вывод о том, что метаноносность угля зависит от содержания витринита в угле, который характеризуется большим количеством микропор, являющихся накопителями сорбированного метана. Таким образом, чем больше витринита в угле, тем выше его метаноемкость. Содержание фюзинита (инертинита) в угле коррелирует с количеством макропор и, как следствие, уголь, содержащий больше инертинита, быстрее де-сорбирует метан. Содержание липтинита в угле характеризуется малым содержанием сорбированного метана.

Проведенный анализ показал важность детального исследования форм нахождения и форм миграции метана на конкретном угольном месторождении для выбора способов и параметров дегазации.

Для определения метаноносности применяют прямые и косвенные методы. Прямые методы основаны на исследовании кернов из геолого-разведочных скважин и извлечения из них метана. При всех недостатках (от редкой сети скважин до методов отбора и исследований кернов) метод является нормативным, и основные данные по газоносности угольных месторождений России базируются на значениях, полученных на его основе [2, 3].

К сожалению, существует немного косвенных признаков, указывающих на вероятные физико-технологические решения. Кроме того, все методы, кроме лабораторных, применяемые для оценки натурных (шахтных, пластовых) показателей метаноносности, газопроницаемости, газоотдачи, диффузии метана, имеют множество недостатков. Тем не менее, в общем плане, при систематически организованном комплексном наблюдении возможно получить данные о газообильности выработок (с учетом токов, перетоков, выработанных пространств и пластов-спутников), достаточные для решения большинства технологических задач. В области косвенных методов оценки газоносности, в частности, остаточной газоносности и прогноза миграции метана, наиболее конструктивными представляются работы под руководством О.В.Тайлакова [21, 22].

Определение газоносности угля косвенным методом основывается на анализе фактической газообильности выработок и установлении баланса по источникам газовыделения, включая выработанные пространства, пласты, пропластки-спутники и собственно эксплуатируемые пласты. В таких условиях термины проницаемости и миграции метана приобретают неопределенность. В работах О.В.Тайлакова [4, 21, 22] решается задача наиболее корректного определения газоносности с учетом десорбции метана при применении шахтного керноотборника, обеспечивающего квазипостоянные термодинамические условия при выбуривании пластовых проб и методов обработки, учитывающие процессы фильтрации (закон Дарси), и диффузии (закон Фика-2). Применение подобных методов позволяет эффективно сопоставлять данные по изменению напряженно-деформированного состояния, моделируемого на пласте [6, 11, 17, 22, 23] с динамикой изменения газоносности пласта.

Чрезвычайно важно отметить, что преобладание абсорбированного метана и запертого в фактически закрытых порах в угле Кузнецкого и других месторождений России, делает зависимости сорбции от давления, температуры и др. важнейшими факторами, определяющими содержание газа в выработках. Исходное повышение газосодержания, приводящее к аварийным ситуациям, чаще всего объясняется либо дефектами и нарушениями системы проветривания, суфлярами из невыявленных АВПД, а также выбросами из зон скоплений свободного метана. Однако дальнейшее выделение значительных объемов метана, способных развивать катастрофические явления, прежде всего пожары и взрывы, объясняется мощными процессами десорбции при повышении температуры, происходящими как из неразгруженных, так и разгруженных угольных толщ и скоплений кусков угля в забоях и выработанном пространстве. Источниками метана могут служить нагретые пропластки угля и высокозольные углесодержащие породы в кровле и почве ава-

ёЕ.В.Гончаров, С.В.Цирель

Геодинамические методы оценки.

рийного пласта, а также как неотработанные, так и отработанные участки сближенных с ним угольных пластов. Кроме того, некоторую роль может играть метан, запертый в трещинах, образованных при подработке и обрушении основной кровли.

Заключение. Таким образом, самым эффективным способом дегазации углей Кузнецкого бассейна, в первую очередь извлечения сорбированного метана, является нагрев. Однако высокая энергоемкость процессов нагрева, низкая температуропроводность угля и опасность вызвать интенсивные окислительные процессы в угле сдерживают применение тепловых методов дегазации.

Другим менее энергоемким и более безопасным способом [6, 19] является сейсмоакустиче-ское воздействие. Однако его применение должно базироваться на учете достоверных сведений о формах содержания, петрографическом составе и структуре угля, горном и газовом давлении и геодинамической обстановке в целом. До настоящего времени при проведении дегазации с помощью сейсмоакустических и родственных им методов учет петрографических и геодинамических факторов вовсе не проводился, либо выполнялся достаточно формально, что резко снижало эффективность дегазационных мероприятий. Авторы предлагают встраиваемый в существующие методы дегазации способ, но с учетом петрогафических и геодинамических условий залегания места добычи угля.

Изложенный в работах [4, 6, 7, 12, 18, 19] способ сейсмоакустического воздействия включает комплекс геодинамического районирования, выделение областей пластов, перспективных для первоочередной дегазации с применением излучателей сейсмоакустических колебаний АКСИ, и развитие мероприятий по дегазации с учетом изменения напряженно-деформированного состояния пласта. Сейсмоакустическое воздействие приводит не только к разрушению межпоровых перегородок, но и к частичному преобразованию колебательной энергии в тепловую, и улучшению условий десорбции метана. При этом увеличивается ценность комплекса работ по геодинамическому районированию, который позволяет заранее определять участки блочных массивов горных пород со склонностью к газодинамическим проявлениям, отличающиеся большей проницаемостью, газонасыщенностью и более благоприятными условиями дегазации. На основе этих представлений был разработан и запатентован способ, позволяющий заранее выделить области, наиболее перспективные по выделению метана из областей с меньшим горным давлением (т.е. с большей проницаемостью) и с максимальной трещиноватостью, где с большей вероятностью возможно встретить газовые аномалии [17].

Благодарность. В статье были учтены результаты совместных исследований с профессором В.В.Кирюковым, о котором авторы сохранили светлую память.

ЛИТЕРАТУРА

1. Айруни А.Т. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. М.:Наука,1987. 310 с.

2. Газообильность каменноугольных шахт СССР: Эффективные способы искусственной дегазации угольных пластов на больших глубинах / Р.А.Галазов, А.Т.Айруни, И.В.Сергеев и др. М.: Наука, 1987. 200 с.

3. Газообильность угольных шахт СССР. Комплексное освоение газоносных угольных месторождений / А.Т.Айруни, Р.А.Галазов, И.В.Сергеев и др. М.: Наука, 1990. 213 с.

4. Гончаров Е.В. Оборудование и технологии термогазохимического воздействия при интенсификации нефтегазопри-токов в наклонно-пробуренных и выполаживающихся скважинах / Е.В.Гончаров, И.Ф.Попов // Время колтюбинга. 2014. № 4(050). С. 68-69.

5. Гончаров Е.В. Методы и способы извлечения углеводородного сырья в условиях России из углей и лигнитов / Е.В.Гончаров, И.Ф.Попов, Л.А.Шангараева // Нефть, газ. Промышленность. 2014. № 3(53). С. 24-33.

6. Гончаров Е.В. Эффективность сейсмоакустического воздействия АКСИ на интенсификацию дегазации угольных пластов / Е.В.Гончаров, С.В.Цирель, В.В.Зубков // Вестник КУЗГТУ. 2016. № 1. С. 28-36.

7. Дегазация выбросоопасных пластов термосейсмоаккустическим воздействием / Е.В.Гончаров, Э.Н.Работа, А.А.Вьюнников, Е.В.Лодус // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009. Отдельный выпуск. № 11. С. 49-65.

8. Десяткин А.Н. Выявление угольных пластов и оценка их промысловых характеристик по данным геолого- геофизических исследований скважин при добыче метана: Автореф. дис...канд. геол.-мин. наук. М.: РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2011. 22 с.

9. Зубков В.В. Формирование зон эффективной дегазации при отработке свиты угольных пластов / В.В.Зубков,

A.А.Вьюников // Маркшейдерия и недропользование. 2015. № 2. С. 29-32.

10. Зубков В.В. Расчет зон эффективной дегазации при отработке свит пластов / В.В.Зубков, И.А.Зубкова // Маркшейдерия и недропользование. 2013. № 3. С. 54-57.

11. Зубков В.В. Расчет зон эффективной дегазации при отработке свит пластов в зоне влияния разрывных нарушений /

B.В.Зубков, И.А.Зубкова // Маркшейдерия и недропользование. 2013. № 5. С. 60-62.

ёЕ.В.Гончаров, С.В.Цирель

Геодинамические методы оценки.

12. КарманскийА.Т. Повышение продуктивности нефтяных скважин воздействием на призабойную зону пласта жидкими термогазохимическими составами / А.Т.Карманский, Е.В.Гончаров, И.Ф.Попов // Нефть, газ. Промышленность. 2013. № 5(50). С. 22-25.

13. КирюковВ.В. Геосинергетические проблемы нанонространства и фазовых состояний ископаемых углей и угольного метана / В.В.Кирюков, В.Н.Новикова // Записки Горного института. 2005. Т. 163. С. 179-182.

14. Кирюков В.В. Промышленно-геологические факторы освоения угольно-газовых залежей Донецкого бассейна / В.В.Кирюков, О.А.Кущ; Межвуз. сб. Екатеринбург: Ур. горно-геол. академия, 1998. Вып. 8. С. 243-253.

15. Кирюков В.В. Топливно-энергетический комплекс России. Перспективы развития угольной промышленности / СПбГГИ, СПб. 1997. 68 с.

16. Кузнецов С.В. Природа и механизм формирования газопроницаемых зон в угольных пластах / С.В.Кузнецов, В.А.Трофимов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1999. № 1. С. 21-27.

17. Патент № 2136850 РФ. Способ извлечения метана из угольных пластов / Д.В.Яковлев, А.Н.Шабаров, Е.В.Гончаров и др. 0публ.10.09.99. Бюл. № 25.

18. Патент № 2322586 РФ. Способ извлечения метана из пластов угольных месторождений / А.Н.Шабаров, Е.В.Гончаров, Д.Ю.Таланов, В.А.Карих. 0публ.20.04.2008. Бюл. № 11.

19. Патент № 2328594 РФ. Способ газоимпульсной обработки газонефтедобывающих скважин и устройство для его осуществления / А.Н.Шабаров, Е.В.Гончаров, А.Т.Карманский и др. Опубл. 10.07.2008. Бюл. № 19.

20. Патент № 2450105 РФ. Способ охраны наземных объектов от последствий деформационных процессов, инициированных разработками месторождений нефти и газа / Е.В.Гончаров, В.Н.Киселев, Н.В.Гусева и др. Опубл. 10.05.2012. Бюл. № 13.

21. Тайлаков О.В. Определение остаточной газоносности угольных пластов на основе макрокинетических десорбци-онных процессов фильтрации и диффузии метана для оценки эффективности дегазации / О.В.Тайлаков, А.Н.Кормин, В.О.Тайлаков // Наука и техника в газовой промышленности. 2014. № 1. С. 10-13.

22. Шабаров А.Н. Геомеханические аспекты внезапных выбросов угля и газа и дегазации угольных пластов / А.Н.Шабаров, Е.В.Гончаров, Н.В.Гусева // Маркшейдерский вестник. 2015. № 1. С. 43-47.

23. Coalbed Methane Extraction: Detailed Study Report, United States Environmental Protection Agency, December 2010. P. 91.

24. Handbook on Coal Bed Methane Produced Water: Management and Beneficial Use Alternatives. U.S. Department of Energy National Petroleum Technology Office Bureau of Land Management, July 2003. Р. 322.

25. Rice D. Coal bed Methane an untapped energy resource an environment concern. U.S. Geological Survey, Energy Resource Surveys Program, USGS Fact Sheet FS-019-97, 1992. Р. 19-97.

Авторы: Е.В.Гончаров, старший научный сотрудник, goncharovbox@mail.ru (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия), С.В.Цирель, д-р техн. наук, главный научный сотрудник, tsirel58@mail.ru (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия).

Статья принята к публикации 30.09.2016.