Сокращение долгосрочных выбросов метана в результате добычи угля

Перевод с английского: А.А. Неретина

Введение

Метан являлся проблемой с тех пор, как уголь был добыт из земли. Бедствия, вызванные взрывами рудничного газа под землей подтолкнули к созданию законов, налагаемым на допустимые уровни рудничного газа в вентиляции шахты. Эти ограничения на концентрацию метана определяют требования к вентиляции и ограничению темпов производства при добыче блоков. Необходимость обеспечения контроля метана привела к использованию дренажных методов извлечения метана при высоких концентрациях из слоев и перенаправлением в безопасное место. Метан из дренированных шахт был использован в качестве источника топлива, и в последние годы увеличилось использование его ресурсов в полной мере. Метан выбрасываемый в атмосферу сейчас начинает рассматриваться как потенциальный источник топлива, при желании уменьшить загрязнения, все же выбрасываются в атмосферу, а так как он является парниковым газом, скоро его потенциал станет во много раз больше, чем у углерода.

Содержание метана, давление и проницаемость

Было установлено, что давление газа из угольных пластов в Великобритании, как правило, менее одной пятой гидростатического давления, хотя примерно приближаются к известным гидростатическим. Гидростатическое давление обычно получается, где угольные пласты и промежуточные слои проницаемы для поверхности. В этих условиях подпитывают Землю подземные воды, повышается давление пластов угля до гидростатического. Это состояние редко достигается в Великобритании, а значится в литературе других стран. Давление пластов угля Великобритании меньше из-за низкой проницаемости угольных пластов и промежуточных слоев, которые изолируют их от потоков грунтовых вод. Об отсутствии пополнения от нового потока воды с поверхности свидетельствует высокая соленость воды, существующая в угольных пластах.

Проницаемость угля в Великобритании, как правило, низкая, по сравнению с некоторыми видами углей, встречающимися в некоторых районах США и Австралии. Об этом факте свидетельствуют потоки газа, которые намного выше, находящихся в Великобритании. Потоки из скважины в пласт также показали значительные различия с потоками за границей и в некоторых местах Великобритании, где давления схожи, хотя гораздо глубже уровня Великобритании. Исключение найдено в угольной шахте в Северном Уэльсе, где из заголовков можно было узнать об отравлении газом, необходимо было срочно уменьшить количество метана. Отличия в проницаемости, вероятно, связаны с сочетанием характера угля и удерживаемого давления, которое уменьшает проницаемость.

Основные источники газа находятся в слоях угольных пластов. Тем не менее из пород коллекторов во время добычи полезных ископаемых, встречалось добытое количество метана равное или большее, чем добытого у угольных пластов. Такие источники, как правило, песчаника с высокой пористостью, которые расположены в естесственных ловушках газа, таких, как антиклинали и из-за ограничений блоков.

По существу, выделение из твердого угля в британских шахтах происходит очень медленно. Для получения значительного потока проницаемость угля должна быть увеличена, и этот результат получен в процессе добычи.

Шахтные выделения метана

Процесс добычи состоит из двух основных эффектов, которые приводят к выделению метана. Во – первых, это внутренние разрушения угля в угольных пластах на основе широких трещин. Во-вторых, это открытие путей через слои для того, чтобы газ мог покинуть пределы массива.

Скорость выделения газа из угля шахт Великобритании низка, в связи с низкой проницаемостью и давлением газа. Больших широко расставленных переломов через угольные пласты не будет достаточно, чтобы увеличить скорость десорбции существенно. Толща должна быть сломана в малом микроскопическом масштабе, переломы не всегда очевидны в больших образцов. Такие ГРП отделяет твердость угля в сборке фрагментов, которые, в силу своего размера позволяют, чтобы газ был выпущен в течение гораздо коротких сроков, чем обычно. Однако, чтобы выпустить газ требуется некоторое расширение слоев, для получения более низкого пластового давления газа, выделяющегося производящего расширения и переломы, чтобы стимулировать приток газа из угля.

Лицо лавы производит пустоту за ней, по мере ее продвижения. Формирование пустот означает, что вес пород кровли уже не может быть поддержан и, следовательно, напряжения вмещающих пород выбрасываются наружу слоями на краю котлована. Концентрация очень больших напряжений на краях дает сбой, на пике нагрузки выбрасывает на несколько метров вперед и боковые стороны. Этот пик области напряжения называется передней опорой и простирается выше и за входом в крепь, отбрасывая вес от сторон.

Подчеркивается связь влияния передней опоры на угольные пласты значительно, так как они являются одними из самых слабаых материалов в угольных слоях, только сравнимых по силе с аргиллитами. Высокое горное давление и анизотропные поля напряжений в передней зоне опорного нарушают внутреннюю структуру угольного пласта, по мере необходимости, нужно производить дегазацию, а движение слоев производит расширение необходимой для газа скважины из угля. Пород-коллекторы, было обнаружено, ведут себя подобно угольным пластам в том, что они появляются, чтобы высвободить свой газ только под влиянием горных нарушений. Доказательства TBR: это происходит из того, что выбросы метана с участков выбросов из резервуаров внимательно прослеживаются за ожидаемыми из угольных пластов единажды, хотя и увеличились во много раз.

Рабочая зона вокруг угля, которая выпускает метан в выработанное пространство является функцией размера раскопок и глубины добычи. Оба этих фактора могут приводить к увеличению напряжения, полученного вокруг рабочего пространства, которые и увеличивает степень разрушения и размеры разлома. В силу этого, как правило на подготовительных работах выпускают газ из пластов, ведут добычу только в то время, как в районе лавы выпущен газ из зон на расстояние примерно до 200 м. Диапозон газов в пределе, особенно для больших извлечений, скорее всего, вызван сокращением межпластовой проницаемости в связи с зонами сжатия. В рамках этого оболочка метана сжимается и может по-прежнему быть выпущен в течение некоторого времени после добычи, хотя при более низких потоках связанных с реконструкцией пластов и понижением давления газа за счет дегазации.

Радикальные функции бурения для совершенствия извлечения метана

Возможности для улучшения

Существующая практика отвода метана в Великобритании и в других странах, для бурения ряда скважин вкрест отверстий с работой по активным лавам, которые предназначены для пересечения переломов, созданных во время ведения горных работ. Газ, выделившейся при добыче понизит градиент давления этих переломов и, следовательно, дренажных скважин, которые поддерживаются при всасывающей поставке газа на поверхность.

Дополнительные параметры дренажа метана находится на рассмотрении в Великобритании в течение некоторого времени по повышению процента захваченного метана. Целью данной работы является снижение объема метана, находящегося в шахтной атмосфере, а также увеличение объема метана, доставляемого на поверхность для последующей коммерческой выгоды. Доступные вариантоы можно разделить на три категории, а именно:

1. Попытка слития метана из угольных скважин до добычи, использования нескольких скважин пробуренных в угольных целиках для извлечения.

2. Попытки бурения скважин в длинные слои выше или ниже запланированных лав, которые будут способствовать эффективности дренажа на протяжении всей жизни лавы.

3. Попытка слить газ после отработки лавы, путем бурения скважин в объеме повышенной пористости и проницаемости при добычи угля.

Каждый из этих вариантов преоставляет техническую задачу, связанную с бурением, совершенно помимо своей вероятности коммерческого успеха с точки зрения дополнительных объемов извлеченного газа. Опыт Великобритании приводится ниже.

Предварительно дренаж метана из угольных скважин

Предварительно дренаж метана, успешно проводимый за пределами Великобритании, и работа такого рода лежит в основе (CBM) проектов угольного метана по всему миру. Скважины бурятся по угольному пласту, либо по горизонтали, из шахты или сначала вертикально от поверхности, и газ дренируется либо через естественную проницаемость угля непосредственно, либо через расширенную проницаемость индуцированную гидроразрывом.

На первый взгляд, на сегодняшний день более привлекательным вариантом, должно быть, пробуривание в пласте отверстия изнутри самой шахты, так как в этом случае каждый метр проходки в бурении предоставляет площадь для дренажа целевых слоев. Однако, есть большой опыт в горизонтальном бурении пластов в бассейнах Великобритании, как правило, для исследования целей, и этот опыт неоднократно обходился дорого. Ряд факторов привели к трудностям, а именно:

1. При бурении с поверхности вниз, управление гидростатическим давлением в пластовых скважинах имеет жизненно важное значение для поддержания стабильности скважины. При бурении горизонтально из шахты дорог на типичные глубины Великобритании 500 м - 1000 м, из слоев на месте стресса в результате такой глубины залегания, стабильность зависит от стенки скважины исключительно на механическую прочность соответствующих слоев. Во всех, кроме нескольких угольных пластов, присущей углю силы оказалось недостаточно, чтобы обеспечить благоприятные обычные условия бурения.

2. В месте концентрации напряжений в непосредственной близости от отработанного пространства довольно сильно отличается от напряжений неторнутом массиве, с заметным увеличением в вертикальное напряжение 20 или около того метров от добычи. Таким образом, особые трудности были найдены в бурение в нетронутых областях вместе с отработанной лавой.

3. При бурении, близком к параллельной плоскости напластования высоко ламинированные угли, скважины будет пересекать слои при очень малых углах. Если отверстие пересекает глинистые полосы при таких низких углах, гидратации глин бурового раствора может вызвать отек, который задерживает значительную длину бурильной колонны, вызывая отказ скважины.

4. Типичная поверхность буровых установок для разведки в бассейнах Великобритании обеспечивают около 200 л.с. лебедки и ротора. Буровые установки могут работать в ограниченных размерами шахтах дороги как правило, обеспечивают менее 50 лошадиных сил. Таким образом, любые проблемы, возникающие в захвате бурильной колонны имеют меньше шансов быть преодоленными при бурении из забоя.

В то время как технически исправными можно считать большинство из этих проблемных факторов, вместе они едины, чтобы сделать стоимость метра скважин, большей протяженнностью относительно высокой и очень непредсказуемой. Хотя есть и исключения общей ситуации в том, что в несколько пластов дегазация скважинами оказалась весьма неопределенным коммерческим предложением, даже без проблем (выразили в разделе 2 настоящей работы) о потенциальной марке газа из такой скважины, когда она находится на месте.

Следовательно, было необходимо рассмотреть возможность бурения с поверхности, с возможностью бурения скважин запуском суб-параллельных углей для дегазации. Это, конечно, лежит в основе CBM промышленности, которая пока еще не зарекомендовала себя на коммерческой основе в условиях Великобритании. Это может поэтому разумно для операторов угольных шахт, которые находятся в ожидании информации о технических и коммерческих успехах такого предприятия, прежде чем вкладывать значительные средства в этом направлении.

Предварительное бурение дренажных отверстий выше или ниже лавы до добычи

Три последние попытки по бурению скважин забоя выше или ниже мест цевых скважин, которые, как ожидалось, собирают газ во время горных работ. Такая работа может лучше всего сравниться с CBM проектом, в котором повышение проницаемости достигается не обычными операциями гидроразрыва, а массивным гидроразрывом из лавы.

В двух из этих попыток, каждая скважина пробуренная выше запланированной лавы, все перечисленные ограничения бурения были обнаружены в разделе данного документа, и ни один проект не дал коммерчески разумного количества газа или материального способствования извлечению метана из шахтной атмосферы.

В третьем суде, в настоящее время, скважины пробурены вдоль пласта угля около 3 метров от лавы. На пласте ведется бурение и газа песка, связанные с ним, как известно, вносят существенный вклад в марку газа при добыче. Хочется надеяться, что значительная часть этого газ будет захвачена из дополнительных дренажных отверстий.

Пока эта операция идет успешно, главным образом благодаря силе интереса к углю и относительно короткого (около 100 м) характера отверстия. Тем не менее, еще слишком рано говорить об обеспечении полной экологической и коммерческой оценки проекта.