Метан отступает

Высокая эффективность опыта применения технологии плазменно-импульсного воздействия


Опыт применения технологии плазменно-импульсного воздействия (ПИВ) для заблаговременной дегазации углей марки ГЖ, Ж и углей повышенной твердости марки К демонстрирует высокую эффективность этого метода


В «Концепции развития угольной промышленности до 2035 года», разработанной правительством РФ, предусматривается дегазация угольных пластов до безопасного уровня до начала эксплуатации. С тем, чтобы реально решать эту задачу без ущерба экономическим показателям, одним из основных направлений работы должно стать внедрение новых отечественных инновационных импортозамещающих технологий.

Первые шаги в этом направлении делает ООО «Распадская угольная компания» (ООО «РУК»), которая совместно с ООО «Георезонанс», начиная с 2017 года, ведет опытно-промышленное внедрение технологии плазменно-импульсного воздействия (ПИВ) для заблаговременной дегазации углей марки ГЖ, Ж на Ерунаковском каменноугольном месторождении (филиал «Шахта «Ерунаковская-VIII») и углей марки К на Ольжерасском каменноугольном месторождении (шахта АО «Распадская-Коксовая») с газоносностью угольных пластов 20-25 м3/тонну.

Следует отметить, что технология ПИВ для заблаговременной дегазации угольных пластов 48 и 45 марки ГЖ, Ж показала высокую эффективность. Достаточно сказать, что с марта 2017 по март 2021 года из 14 скважин, которые последовательно вводились в эксплуатацию по мере их бурения на расстоянии 120 метров друг от друга, извлечено 17,067 млн м3 метана чистотой 97,41%. Это позволило, по предварительным оценкам специалистов (ООО «РУК»), снизить природную газоносность угольных пластов в контуре лавы 48-9 с 24 до 14 м3/тонну.

Угли марки ГЖ, Ж, занимающие промежуточное положение между бурыми углями и антрацитом, насыщенные свободной водой (влажность угольного пласта 48 составляет 1,18%, угольного пласта 45 — 1,28%), являются идеальными для применения технологии ПИВ с целью заблаговременной дегазации и добычи метана. Потому что вода, насыщенная газом, является рабочим агентом, принимающим участие в процессе растяжения-сжатия среды. А это позволяет создать объемную (вторичную) проницаемость и перевести значительную часть газа из сорбированного и растворенного состояния в свободное с последующим отбором метана через пробуренные с дневной поверхности скважины, в которых проводилось воздействие.

Практика работы подтвердила, что системы природных трещин, кливажи в угольном пласте, связанные искусственно созданной с помощью ПИВ сетью микротрещиноватости, являются основным наиважнейшим каналом фильтрации флюида и метана к скважинам.

Стало очевидным, что при созданной развитой объемной вторичной проницаемости такие факторы, как тип углей, категория, метаморфизм, будут играть второстепенную роль для фильтрации метана.

С учетом этого в феврале 2019 года было принято решение об опытном применении ПИВ на углях марки К шахты АО «Распадская-Коксовая». Мощность пласта III -10 метров (интервал залегания 516-526 м), при этом уголь отличается от марок ГЖ, Ж крепостью, плотностью (1,42 г/см3), пластичностью и низкой влажностью (0,35%).

Показатель влажности свидетельствует об отсутствии свободной воды в угольном пласте, а сам уголь марки К насыщен связанной водой, которая удерживает газ в порах и капиллярах, в связи с чем «уголь плохо отдает метан» скважинам пластовой дегазации. А это приводит к 27% временных простоев из-за проветривания.

Проблема заключается в том, что связанная вода оказывает большое влияние на процесс тепломассопереноса, прочно удерживается в тонких микропорах, капиллярах и микротрещинах и к тому же обладает повышенной вязкостью, она не подчиняется обычным законам фильтрации. Связанная вода сильно влияет на прочность и деформированность любой горной породы. И только в случае ее «сдвига» в угольном пласте можно понизить поверхностную энергию в капиллярах минералов и тем самым облегчить развитие механических микротрещин, особенно в тех случаях, если порода находится под напряжением.

По этим причинам заблаговременная и даже опережающая дегазация углей марки К с помощью применения традиционных технологий, включая VLD-1000, весьма проблематична.

Как уже отмечалось, рабочим агентом при ПИВ является насыщенная газом свободная вода, которая отсутствует в углях марки К. А для того чтобы включить в работу связанную воду с помощью ПИВ, были проведены дополнительные стендовые испытания, геофизические и микросейсмические исследования, а также внесены существенные поправки в методику воздействия.

Совместные стендовые испытания компании «Георезонанс» и МГУ им. Ломоносова (г. Москва) плазменно-импульсного воздействия на угли повышенной твердости (образцы угля марки ОС из пласта III шахты «Сибиргинская») показали, что ПИВ определенно оказывает воздействие на внутреннее строение углей (рисунок 1). Основным признаком является появление новообразованных трещин, вплоть до разрушения образца на отдельные фрагменты.

Полученные результаты исследований были признаны положительными, что дало основание полагать, что применение ПИВ эффективно на углях повышенной твердости, таких как ОС и К.

После утверждения Проекта «Техническое перевооружение опасного производственного объекта «Шахта угольная» АО «Распадская-Коксовая». Заблаго­временная дегазация угольного пласта III скважинами с поверхности в контуре лавы 3-3-1бис и 3-4-1бис, с применением технологии плазменно-импульсного воздействия» в 2018 и 2020 годах на шахте АО «Распадская-Коксовая», последовательно было пробурено 6 скважин П1-1, П1-2, П1-3, П1-4, П1-1бис и П1-5.

Скважины П 1-1 — П 1-4, находились на расстоянии 70 метров друг от друга и 200 метров от горной выработки. Скважина П 1-бис находилась на расстоянии 40 метров от горной выработки, а скважина П 1-5 на расстоянии 500 метров в другой лаве (3-4-1бис).

На скважинах П1-1 — П1-4 из-за сложной горно-геологической структуры при строительстве скважин не удалось отсечь водоносные вышележащие горизонты, что не позволило вывести скважины на эффективный режим эксплуатации. Тем не менее на всех отмечался выход метана. Кроме того, в скважинах П1-1 и П1-2 газ был зафиксирован визуально с помощью видеокаротажа.

Скважина П1-1-бис оказалась абсолютно сухой и фильтрационно связанной с горной выработкой, поэтому получить фиксируемый дебит не удалось по причине отсутствия энергии пласта из-за близости скважины к горной выработке. В то же время при применении ПИВ в этой скважине отмечалось временное увеличение дебита метана на ВНС шахты (рисунок 2).

  • местоположение скважин П1-1, П1-2 и П1-3 совпадает с зонами повышенной трещиноватости горного массива;
  • местоположение скважины П1-1бис совпадает с зоной повышенной прочности горного массива, также характеризующейся отсутствием трещиноватости;
  • местоположение скважины П1-4 совпадает с зоной повышенной прочности горного массива, расположенной в непосредственной близости от обширной зоны трещиноватости.

Красным цветом показаны возникшие зоны трещиноватости после применения ПИВ, синим цветом — повышенная прочность пород.

Исследования и накопленный опыт позволили вновь внести коррективы в методику применения ПИВ в скважине П-1-5, которая запущена в эксплуатацию 26 ноября 2020 года.

В частности, перед применением ПИВ был разработан и утвержден план воздействия, по которому десятиметровый угольный пласт по вертикали был условно разбит на фракталы по 0,25 метра каждый. Количество периодических импульсов одинаковой мощности, разнесенных на равные промежутки времени в каждом фрактале, значительно увеличено таким образом, чтобы воздействие максимально соответствовало закону наращивания масштабов локализации деформационных процессов, а накопление малых возмущений оказывало существенное влияние на вовлечение связанной воды в работу, снятию поверхностной энергии в капиллярах и развитию микротрещиноватости.

Разработчики исходили из того, что при выбросе плазменной энергии возникает ударная волна сжатия. В соответствие с уравнением Ван-Дер-Ваальса «процесс перехода давления из точки в точку в жидкой среде обусловлен перемещением объектов этой среды по тем же точкам, по которым распространяется волна». Затем происходит обратный процесс растяжения среды к источнику возбуждения, которого вполне достаточно для эволюции геологической структуры. Известно, что уголь разрушается не при приложении нагрузки, а при ее снятии.

В итоге плазменно-импульсное воздействие привело к «сдвигу» связанной воды по всей мощности пласта. В результате произошла переполяризация и снятие поверхностной энергии в капиллярах, при этом легкая фаза — газ — стала замещать тяжелую — связанную воду.

Таким образом, удалось вовлечь связанную воду в работу и создать благоприятные предпосылки для расширения депрессионной воронки и фильтрации газа к скважине.

Уголь марки К достаточно быстро стал отдавать метан, при этом уже через два месяца скважина вышла на устойчивый режим эксплуатации с дебитом 780-820 м3/сутки. По состоянию на 1 апреля накопленный объем извлеченного чистого метана составил более 65 тысяч м3.

Необходимо отметить, что формирование депрессионной воронки в углях марки К происходит гораздо медленнее, чем в углях марок ГЖ, Ж, а фильтрация к скважине по мере расширения газодинамической эрозии угольного пласта за счет инициированной ПИВ самомодуляции идет скачкообразно в виде периодических выбросов, что обусловлено спецификой этих углей.

Выводы и предложения:

  • Опыт применения технологии плазменно-импульсного воздействия (ПИВ) для заблаговременной дегазации углей повышенной твердости с низкой влажностью и проницаемостью свидетельствует о перспективности этого направления работы для обеспечения безопасной работы шахтеров.
  • Для создания общей депрессионной воронки и максимального извлечения метана с учетом специфики углей марки К скважины заблаговременной дегазации должны располагаться на расстоянии друг от друга не более 50-70 метров.
  • Повышенная проницаемость после заблаговременной дегазации позволит более эффективно применять скважины пластовой дегазации.
  • Значительно сократится время простоя шахты на проветривание, что, в свою очередь, повысит экономическую эффективность добычи угля.

Накопленный опыт применения ПИВ показал необходимость повышения требований к строительству скважины. Конструкция должна надежно отсекать вышележащие водоносные горизонты, цементаж должен быть качественным, а эксплуатационная колонна герметична, чтобы не допускать утечки газа.

Авторы: Сергей Ширяев, технический директор ООО «РУК»;
сотрудники ООО «Георезонанс»: Петр Агеев, директор по науке, член-корр. МАНЭБ;
Андрей Десяткин, главный инженер проектов, к.г.м.н.; Ярослав Дубенков, менеджер проектов; Алина Сидорова, геолог

  • Список литературы:
  • 1. Распоряжение Правительства РФ от 13 июня 2020 г. №1582-р.
  • 2. Журнал «Уголь Кузбасса» № 4 (065), июль-август 2018 («Удар по метану»).
  • 3. Термодинамика равновесия жидкость-пар (А.Г Морачевский, Н.А. Смирнова, Е.М. Пиот­ров­ская и др.; Под ред. А.Г. Мора­чевского: Химия, 1989 г.).

Вердер Сайнтифик 2021