ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 462, № 2, с. 158-160
= МЕХАНИКА =
УДК 53.092
ГЕОМЕХАНИКА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГАЗА ИЗ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ © 2015 г. Академик РАН Д. М. Климов, В. И. Карев, Ю. Ф. Коваленко
Поступило 22.07.2014 г.
БО1: 10.7868/8086956521514011Х
В связи с истощением крупных и доступных месторождений углеводородного сырья все большую актуальность приобретает разработка нетрадиционных источников. Метан, содержащийся в газонасыщенных угольных пластах, является одним из перспективных местных источников энергии, высококачественным и экологически чистым энергоносителем.
Основной проблемой извлечения метана из угольных пластов является низкая естественная проницаемость угольного массива [1]. Для повышения проницаемости в нем должна быть создана система фильтрационных каналов. В настоящее время лидером добычи газа из угольных пластов являются США, где с этой целью используется технология, разработанная для добычи сланцевого газа и сланцевой нефти и основанная на множественном гидроразрыве пласта [2]. Кроме того, известны способы гидроимпульсного воздействия, ударно-волнового воздействия, метод создания мгновенных репрессий на пласт и др. [3].
Все эти методы интенсификации притока разработаны для нефтегазовых коллекторов и перенесены на угольные пласты. Однако между теми и другими существует принципиальное различие — это касается и условий, в которых содержится углеводородное сырье в пласте, и деформационно-прочностных, фильтрационных свойств пластов. На сегодняшний день нет ни одной эффективной технологии, разработанной специально для извлечения метана из угольных пластов и учитывающей их специфические особенности.
Это относится и к технологии множественного гидроразрыва угольных пластов из горизонтальных скважин. Газ из пласта после проведения гидроразрыва может поступать в трещину гидроразрыва только из области, где под действием касательных напряжений произошло растрескивание угля и образовалась искусственная система филь-
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской Академии наук, Москва E-mail: perfolinkgeo@yandex.ru
трационных каналов. С учетом высокой пластичности угля эта зона невелика, и по мере ее «опорожнения» дебит газа из скважины будет быстро падать и довольно скоро вовсе прекратится.
Предлагается новый подход к созданию эффективной технологии извлечения газа из угольных пластов, принципиально отличающийся от используемой технологии множественного гидроразрыва пластов. В его основе лежит идея растрескивания угля и создания в нем наведенной проницаемости за счет использования энергии находящегося в угле газа.
Еще в 80-х годах прошлого столетия академик С.А. Христианович высказал утверждение, что газ в угольном пласте находится не только в сорбированном, но и в свободном состоянии в изолированных порах и трещинах, причем его давление близко к местному горному давлению [4]. При неравномерной разгрузке пласта от горного давления этот газ, расширяясь, образует систему ориентированных трещин в направлении, перпендикулярном направлению наименьшего сжатия. Здесь важно отметить, что, как показывают расчеты [5], давление в трещинах при их росте падает достаточно медленно. Это объясняется тем, что наряду с увеличением размера трещин одновременно происходит их уплощение, в результате чего их объем увеличивается незначительно. В результате в пласте образуется система ориентированных газонаполненных трещин. При достаточном прорастании трещин они объединяются в связанную систему фильтрационных каналов, уголь становится проницаемым, причем проницаемость его будет существенно анизотропной (трансверсаль-но изотропной), максимальной в направлении роста трещин — в плоскостях, ортогональных направлению наименьшего сжатия (рис. 1). Теоретическая модель этого явления предложена в [6]. Проницаемость угля определяется раскрытием образовавшихся в нем трещин, которое, в свою очередь, пропорционально кубу разности между давлением газа и величиной внешней сжимающей нагрузки. Тогда зависимость проницаемости
ГЕОМЕХАНИКА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГАЗА
159
Рис. 1. Схема образования фильтрационных каналов в угольном пласте. 1 — дискообразные трещины; 2 — зоны дополнительных растягивающих напряжений, окружающие дискообразные трещины, в которых образовалась проницаемость за счет раскрытия микротрещин; ^ — напряжение, уменьшенное в результате разгрузки пласта от горного давления.
Рис. 2. При выбросе возникла каверна и последовал дополнительный выброс газа. Выброшено 40 т угля и 8400 м3 метана.
угля в плоскостях роста трещин от действующих в нем напряжений выражается соотношением
/ V
-1
К = В
где р — давление в трещинах, В — некоторый коэффициент, атЬ — напряжение, ортогональное плоскостям трещин.
Таким образом, может быть создана проницаемость во всем пласте, а не только в его небольшой части, как при образовании трещины гидроразрыва.
Подтверждением такого механизма высвобождения газа из угля являются наблюдаемые в газоносных угольных пластах катастрофические явления внезапных выбросов угля и газа [7]. Известны случаи, когда в процессе выброса на 1 т выброшенного угля приходилось более 2000 м3 газа при норме 25 м3, что можно объяснить образованием в пласте системы ориентированных трещин, по которым в каверну выделяется большое количество газа (рис. 2).
Еще одним подтверждением предлагаемого подхода к добыче газа из угля является хорошо известный и эффективный способ борьбы с внезапными выбросами угля и газа — метод защитных пластов, заключающийся в предварительной отработке вышележащего (надработка) или нижележащего (подработка) пласта [8]. Отработка защитных пластов разгружает защищаемый пласт от горного давления в направлении, перпендикулярном напластованию, что при определенных условиях вызывает рост трещин в плоскости пла-
ста и образование в нем ориентированной системы газонаполненных трещин. В результате при отработке такого пласта газ имеет возможность свободно выходить из пласта в выработанное пространство, что практически снимает угрозу внезапных выбросов. Таким образом, отработку защитных пластов можно рассматривать как один из вариантов направленной разгрузки пласта, но используемой не с целью добычи газа из пласта, а с целью его дегазации.
Важнейшим требованием для создания эффективной технологии извлечения метана из угольных пластов и принятия технических решений ее реализации для конкретных угольных пластов является возможность экспериментального определения деформационно-прочностных и фильтрационных свойств угля и вмещающих пород в условиях реальных напряженно-деформируемых состояний, создаваемых в угольных пластах, и изучения влияния напряжений на эти параметры.
В ИПМех РАН создана уникальная испытательная система трехосного независимого нагру-жения (ИСТНН, рис. 3), позволяющая создавать в кубических образцах горных пород истинно трехосное напряженное состояние [9]. Разработана методика физического моделирования процессов неравномерной разгрузки угольных пластов и вмещающих пород от горного давления, исследования их свойств, на основе которой будут разработаны технико-технологические способы реализации метода направленной разгрузки пласта для различных горнотехнических ситуаций.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 462 № 2 2015
3*
160
КЛИМОВ и др.
В заключение надо отметить, что технология добычи метана из угольных пластов, основанная на направленной разгрузке пласта от горного давления, может быть успешно адаптирована к добыче нефти и газа из месторождений с нетрадиционными коллекторами — сланцевыми и баже-новской свиты.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект 14-01-00275.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнецов С.В., Кригман Р.Н. Природная проницаемость угольных пластов и методы ее определения. М.: Наука, 1978. 122 с.
2. Brendow B.K. Global Oil Shale Issues and Perspectives // J. Oil Shale. 2003. V. 25. № 1. P. 81-92.
3. Коршунов Г.И., Шипулин А.В., Серегин А.С. Увеличение газовой проницаемости угля путем импульс-
но-волнового воздействия через скважины // Газовая пром-сть. 2012. Т. 672. С. 46-47.
4. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф. Об измерении давления газа в угольных пластах // ФТПРПИ. 1988. № 3. С. 3-15.
5. Коваленко Ю.Ф, Сидорин Ю.В., Устинов К.Б. Деформирование массы угля при наличии в нем системы изолированных газонаполненных трещин // ФТПРПИ. 2012. № 1. С. 33-45.
6. Карев В.И., Коваленко Ю.Ф. Теоретическая модель фильтрации газа в газосодержащих угольных пластах // ФТПРПИ. 1988. № 6. С. 47-55.
7. Чернов О.И., Пузырев В.Н. Прогноз внезапных выбросов угля и газа. М.: Недра, 1979. 295 с.
8. Петухов И.М., Линьков А.М., Сидоров В.С., Фельдман И. А. Теория защитных пластов. М.: Недра, 1976. 224 с.
9. Karev V.I., Kovalenko Yu.F. Triaxial Loading System as a Tool for Solving Geotechnical Problems of Oil and Gas Production. In: True Triaxial Testing of Rocks. Leiden: CRC Press/Balkema, 2013. P. 301-310.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 462 № 2 2015
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.