Ефим Крейнин - Нетрадиционные углеводородные источники: новые технологии их разработки. Монография

По последним данным исследований физико-химической структуры газоугольной матрицы метаноугольных пластов, метан в них содержится в трех состояниях: свободном, адсорбированном и твердом растворе [28]. При этом в твердом растворе содержится 70 % всего метана угольного пласта, и выделение его из твердой матрицы угля наиболее сложно и продолжительно по времени.

Несмотря на дискуссионность этой теории, нет сомнений, что только свободный метан легко извлекаем с помощью простых буровых каналов. Адсорбированный метан, а тем более метан, находящийся в твердом растворе, не могут быть извлечены такими элементарными способами. Для этого необходимы более эффективные технологии разрыва физико-химических связей метана с угольной матрицей и разгрузки угольного пласта.

Ниже излагаются некоторые инновационные технические решения воздействия на угольный пласт с целью интенсификации извлечения угольного метана.

Для предотвращения выделения метана в горные выработки угольных шахт в большинстве угледобывающих стран мира (США, КНР, Российская Федерация, ФРГ, Польша, Великобритания и др.) широко применяют дегазацию угольных пластов и участков природного скопления свободного метана.

Среди известных примеров шахтной дегазации разрабатываемых угольных месторождений можно отметить следующие [29].

В ФРГ на шахте «Луизенталь» (глубина 800 м) дегазацию газосодержащих толщ проводили вертикальными скважинами, пробуренными с поверхности. За 8 лет было каптировано 23,4 млн м 3метана, в том числе 1,84 млн м 3(в среднем 630 м 3/сут.) до начала проведения горных работ. Эффективность дегазации шахты последовательно вертикальными скважинами, пробуренными с поверхности, и подземными скважинами составила 80 % (каптировано вертикальными скважинами – 11 млн м 3метана, подземными скважинами – 1,5 млн м 3метана, 3 млн м 3метана выделилось в выработки шахты).

В КНР на антрацитовой шахте «Янцюань» (провинция Шаньси) при разработке свиты пологих пластов мощностью от 0,8 до 11 м и общешахтном выделении метана 240 м 3/мин для дегазации заполненных метаном карстовых пустот бурили скважины с поверхности глубиной до 400 м, с расстоянием между соседними скважинами 50–70 м. Дебит каптированного метана составил 30–33 м 3/мин, что обеспечило эффективность дегазации карстовых пород до 80–85 %. За 25 лет было извлечено 360 млн м 3метана (в среднем 39 тыс м 3/сут.).

В США на шахте «Федерал» применяли дегазацию пласта «Питтсбург» направленными скважинами с поверхности. Вертикальные скважины бурили до глубины 300–350 м, а затем из их забоев бурили по пласту веер из трех скважин суммарной длиной до 2000 м. Среднесуточный дебит метана за 880 сут. составил 44 тыс м 3. При общих капитальных и эксплуатационных затратах $1,5 млн и извлечении 9,2 млн м 3метана/год каптаж 1000 м 3обошелся в $2,05 млн. Затраты на бурение и оборудование скважин окупились за 4 года. Эффективность дегазации выемочного участка составила 40 %.

Промышленную добычу метана из углегазовых месторождений наиболее эффективно осуществляли в США, начиная с восьмидесятых годов двадцатого века. В последнее время появились новые сведения об успехах во внешахтной дегазации угольных месторождений Австралии и Китая.

Остановимся более детально на результатах промысловой (заблаговременной) добычи метана.

Так, по опубликованным данным, добыча метана в США возросла с 5 млрд м 3в 1990 г. до 24,3 млрд м 3в 1994 г. (табл. 5).

Таблица 5

Добыча метана на угольных месторождениях США

Очень показателен рост доли угольного метана в общем балансе добычи природного газа в США: в 1990 г. она была равна 1 %, а уже в 1993–1994 гг. составила 4,1–4,7 %. Такой рост добычи метана даже при отмене налоговых льгот в 1994 г. объясняется уникальностью месторождений и совершенствованием технологий, которые резко повышают продуктивность скважин. Добыча угольного метана в США в 1996 г. достигла 28,4 млрд м 3, в том числе в бассейне Сан-Хуан – 23,2 млрд м 3и Блэк Ворриор – 2,26 млрд м 3, или, соответственно, 82 % и 8 % от общего объема. В 2003 г. суммарный объем добычи метана на угольных месторождениях достиг 45 млрд м 3, а в 2011 г. – 55 млрд м 3.

Большой интерес представляет взаимосвязь между числом метанодобывающих скважин и объемами извлеченного метана. Так, добыча угольного метана увеличилась с 2,57 млрд м 3в 1989 г. (1461 скважина) до 15,4 млрд м 3в 1992 г. (5743 скважины), т. е. среднее метановыделение в пересчете на одну скважину возросло в 1,5 раза. При этом характерно то, что добыча метана в угольных бассейнах Сан-Хуан (штаты Колорадо и Нью-Мексико) и Блэк Ворриор (штат Алабама) составила в 1994 г. 95 % от общей добычи угольного метана в США, а в 1996 г. – 90 %, что подчеркивает уникальность угольного бассейна Сан-Хуан. В других бассейнах США добыты относительно небольшие объемы метана: 53 млн м 3– в басссейне Аркома (штат Оклахома); 140 млн м 3– в бассейне Чероки (штаты Канзас, Оклахома и Миссури); 2,8 млн м 3– в бассейне Форест Сити (штаты Канзас, Айова, Миссури и Небраска); 2,2 млн м 3– в штате Иллинойс; 5,6 млн м 3– в бассейне штата Юта; 0,056 млн м 3– в бассейне Грин Ривер (штаты Колорадо и Вайоминг); 0,84 млн м 3– в части бассейна Северных Аппалач (штат Пенсильвания).

Средний дебит метана в пересчете на одну скважину составлял 800–1800 м 3/сут. (аналогичные значения дебита подтверждены на шахтных полях Карагандинского и Донецкого бассейнов). Доля угольного метана в добыче природного газа в штатах Алабама, Колорадо, Нью-Мексико и Вирджиния в 1992 г. составила 26, 26, 29 и 24 %, соответственно. По уточненным данным, реальные для извлечения запасы шахтного метана в этих штатах США увеличились с 0,23 до 0,28 трлн м 3. По оценкам Национального нефтяного совета США, технологически извлекаемые запасы угольного метана в 1992 г. составили 1,73 трлн м 3при условии использования действующих технологий для извлечения метана и 2,74 трлн м 3при условии использования передовых технологий. Комитет по газу оценил запасы угольного метана в 2,52 трлн м 3по 48 шахтам и в 1,6 трлн м 3по Аляске.

Практика США показала, что добыча метана на угольных месторождениях является, прежде всего, инженерной задачей, решение которой в значительной степени зависит от свойств углеводородных толщ как резервуаров газа. Предоставление налоговых льгот и действующие законы, определяющие государственную собственность на метан угольных пластов, явились важными факторами, стимулирующими добычу метана в условиях действующих угольных бассейнов США. Чтобы обеспечить добычу метана 25 млрд м 3/год, потребовалось пробурить 17 000 геологоразведочных скважин общей стоимостью $17 млрд. По данным на 2011 г., в США было извлечено 55 млрд м 3угольного метана через 17 000 добычных скважин.