БИБЛИОТЕКА СКВАЖИННЫЕ МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ГАЗООТДАЧИ МЕТАНООБИЛЬНЫХ ЗОН В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ КРАСНОДОНЕЦКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ (В. ДОНБАСС) М. И. Гамов Ростовский госуниверситет, Ростов-на-Дону, Россия Природная газоносность угольных пластов Краснодонецкой синклинали, как весьма газообильной геологической структуры, является объектом пристального внимания геологов, начиная с середины 60-х годов.
Компонентный состав газов угольных пластов типичен для условий Восточного Донбасса. В зоне газового выветривания отмечаются подзоны азотно-углекислых, углекисло-азотных, метаново-азотных газов; в зоне метановых газов преобладающим компонентом становится метан (до 95-98%), тяжелые углеводородные газы, азот и углекислый газ присутствуют в незначительном количестве. Зона газового выветривания проходит на глубине 50-70 м на пологом южном крыле и на глубине 150-200 м - на крутом северном крыле синклинали.
Принципиально новые данные о газоносности флюидизированных углей получены в результате проведенных специальных вакуумно-декриптометрических исследований. Установлено, что остаточная газоносность таких углей, замеренная стандартным способом, составляет 3-5 м3/т, что сопоставимо с данными предыдущих исследований. Однако, применение более глубокой десорбции (вакуумное разряжение до 1"10-3 мм.рт.ст.) при относительно небольшом температурном воздействии (до 100оС), увеличивает интенсивность газоотдачи в 3 и более раз, которая достигает в углях из зон флюидизации аномально высоких значений - 30-60 м3/т .
Произведена оценка ресурсов метана в основном угольном пласте m81 и в пластах- спутниках, с учетом установленной мощности сопутствующих пластов - 1760 млн м3. Геологические ресурсы метана по первоочередным участкам полигона составляют 1300 млн.м3. Извлекаемые объемы метана могут составить, в целом, по Краснодонецкому полигону 3.2 млрд.м3 , из них 500 млн.м3 предполагается извлечь из основного рабочего пласта m 81.
Оцененных ресурсов метана в угольных пластах в пределах разведанной и не отработанной части Краснодонецкой синклинали будет достаточно для газификации близлежащих шахтерских поселков с общей численностью населения более 10 тыс. человек на 40-50 лет, что становится в настоящее время, весьма актуальным в связи с закрытием ШУ "Краснодонецкое" - основного поставщика топлива для местных нужд.
На основании приведенной общей характеристики Краснодонецкого месторождения можно сделать вывод, что по горно-геологическим и геолого-экономическим предпосылкам оно представляет собой эталонный объект для проведения опытно-экспериментальных работ по заблаговременному извлечению метана из угольных пластов В.Донбасса.
Вместе с тем в последнее время появились новые факты и обстоятельства, значительно усиливающие этот тезис, которые связаны прежде всего, с проблемой обеспечения геоэкологической безопасности в районах ликвидируемых угольных шахт В.Донбасса. 2 . Как показывает проведенный анализ, в выработанном пространстве 10 закрытых шахт содержится более 50 млн.м3 извлекаемого метана, и Краснодонецкое ШУ занимает в их списке одно из первых мест. Следует также отметить, что в эти расчеты не включены газы, сорбированные на поверхности фрагментов нарушенного горного массива, общее количество которых достигает 150-200 млн.м3.
В условиях постепенного затопления шахт Краснодонецкой и Синегорской №17 значительный объем шахтной атмосферы обогащенной метаном и обескислороженной (так называемый мертвый воздух - 15-20млн.м3) несомненно будет вытесняться на поверхность (что и происходит в настоящее время), создавая реальную угрозу экологической безопасности в шахтерских поселках, распложенных над выработанным пространством закрытых угольных шахт.
С целью выполнения геомониторинговых исследований и проведения испытаний новых геотехнологических методов дегазации угольных пластов и выработанного пространства для снижения отрицательных последствий затопления шахты Краснодонецкой, уменьшения уровня загазованности поверхности на территории поселков Синегорского, Углекаменного и Виноградного, а также определения перспектив использования метана для промышленных и бытовых целей было запланировано бурение газо-гидрогеологической дегазационной скважины ГГД-4 на поле шахты "Краснодонецкая". В полевой сезон 2004-2005 года скважина ГГД-4 (№ 9131) была пройдена силами Несветаевской ГРЭ в соответствии с техническим заданием, вертикальным стволом глубиной 410 м с начальным диаметром 152 мм и конечным диаметром 93 мм с отбором керна и проведением стандартного комплекса геолого-структурных наблюдений и ГИС-испытаний. Скважина как и планировалось вскрыла Восточную зону флюидизации с аномальной газоносностью в интервалах глубин190-240м, 280-305м и 320-370м.
В практике добычи угольного метана используются или находятся в стадии разработки более 20 методов интенсификации газоотдачи угольных пластов применяемых в различных комбинациях, выбор которых определяется конкретными условиями и особенностями метаноугольных месторождений, экономическими факторами, накопленным опытом работ и т.п.
При проведении натурных испытаний по скважине ГГД-4 был применен оригинальный комплекс методов интенсификации газоотдачи угольных пластов и вмещающих пород, подверженных процессам углеводородной флюидизации.
Бароградиентный метод интенсификации газовыделения (метод свабирования) заключался в создании на забое скважины кратковременных перепадов давления путем быстрого подъема и спуска бурового снаряда типа желонки с целью создания "поршневого эффекта" и вызова притока газов из угольного пласта и вмещающих пород.
Гидроимпульсный метод интенсификации газовыделения из угольных пластов заключался в герметизации ствола скважины установкой пакера на уровне 2-3 м от забоя после перебуривания угольного пласта с последующим закачиванием водно-газовой смеси под давлением ниже критического давления гидроразрыва и быстрым сбросом его через специальный клапан пакерного устройства, для создания зоны проницаемости в углепродном блоке, получения эффекта "антивзрыва" и деструкции системы "уголь-метан" в режиме кавитации.
Депрессионный метод интенсификации газовыделения предусматривал герметизацию призабойной зоны пакером, как и в предыдущем случае, с последующим сбросом давления в подпакерном пространстве до атмосферного с помощью специального устойства БАРС-1, разработанного сотрудниками Геотехцентра-Юг РГУ и Несветаевской ГРЭ, установленного в колонне свободных от раствора буровых труб. Данный способ может быть усилен путем принудительной дегазации подпакерного пространства с использованием вакуумных насосов или вытяжных устройств.
Рециклинговый метод интенсификации газоотдачи угольных пластов представляет собой "ноу- хау" сотрудников Геотехцентра-Юг РГУ. Суть его состоит в неоднократной прокачке через участок напряженного угольного пласта водно-газовой смеси при определенных перепадах давления на забое и устье скважины. После достижения пересыщения смеси метаном последний элиминируется для утилизации, а водно-газовая смесь снова закачивается в скважину для последующей активации газовыделения.
Обобщая данные по различным методам интенсификации газоотдачи угольных пластов и вмещающих пород и учитывая реальные горно-геологические условия Восточного участка Краснодонецкого месторождения, мы приходим к выводу, что технологический регламент испытаний по скважине ГГД-4 должен включать определенную комбинацию отмеченных методов воздействия на углепородный массив. В общем виде технологическая схема испытаний состоит из следующих стадий.
В качестве дополнительных испытаний, предусмотренных программой работ, применялись детальные минералого-петрографические, углепетрографические, геохимические, геомеханические, газово-каротажные, вакуумно-декриптометрические и другие методы, направленные на установление газового состояния углепородного массива, уточнение границ флюидоактивных зон, а также бароградиентные, гидроимпульсные и депрессионные методы интенсификации газоотдачи угольных пластов и вмещающих пород, разработанные в Геотехцентре-Юг РГУ. При этом использовалось специальное оборудование и обустройство скважины, обеспечивающее создание на забое импульсных перепадов давления, стимулирующих деструкцию системы "порода-уголь-флюид" с элиминацией высвобождающихся газов.
В первых двух циклах испытаний скважина вскрыла типичный разрез неоген-четвертичных и карбоновых отложений В.Донбасса, представленных переслаивающимися пачками аргиллитов, алевролитов, песчаников и известняков свит С27 и С31 с пластами и прослоями углей (сверху вниз) n04- n03-n01, m92-m91-m9n мощностью от 0.2 до 0.5 м
При вскрытии зоны флюидизации в интервале глубин 190-210 м наблюдалось спонтанное вытеснение бурового раствора из скважины с пузырьками газа, анализ которого показал содержание СО2 -28.4 %, СН4 - 46,1 %, N2 - 25.0 %. Бароградиентный метод воздействия на углегазовую пачку пород в этом интервале способом свабирования вызвал дополнительный приток газов в скважину с увеличением содержания СН4 до 81.3 % и уменьшением содержания СО2 до 18.7 % с расчетным дебитом - 2. 5 м3/мин
При вскрытии скважиной зон флюидизации в кровле пласта m9 наблюдалось спонтанное вытеснение бурового раствора из скважины с пузырьками газа, анализ которого показал содержание СО2 - 3-5 %, СН4 - 85-86 %, N2 - 7-8 %. Бароградиентный метод воздействия на углегазовую пачку пород в этом интервале способом свабирования вызвал дополнительный приток газов в скважину с увеличением содержания СН4 до 92.16 % и уменьшением содержания СО2 и азота до 5-6 %.
Испытания депрессионного метода воздействия с применением специального пакерного снаряда, снабженного полуавтоматическим клапаном для сброса давления в подпакерном пространстве, подтвердили приведенные выше расчеты по внутрипластовому давлению флюидов на забое скважины, которое вызвало скоростное истечение газов на устье скважины под давлением 0.5-0.8 МПа.
Применение более интенсивных способов воздействия на углегазовую пачку - гидроимпульсного и метода "обратного взрыва" (кавитационного) с использованием агрегата ЦА-320 и подачей на пласт воды под давлением до 50 атм. привело к выбросу (фонтанированию) водно-угольно- газовой смеси с начальным давлением 2,5-3,0 МПа, которое импульсно снизилось до 3-5 атм. в течение 1.5 часов.
Расчетный дебит газо-водяной смеси при выбросе составил 3.3 м3/мин., измеренный дебит - 3.4 м3/мин, что с учетом транспортных потерь находится в пределах 4800 - 5000 м3/сутки. Состав газов аналогичен отмеченному выше: СН4 - 92-94 %, СО2 - 2-4 %, N2 - 1-2 %, ТУ - до 4-5 %, Н2S - сл., СО - сл., С2Н2 - сл.
К началу третьего цикла испытаний скважина ГГД-4 была обсажена до глубины 323 м, устье скважины оборудовано наголовником, обеспечивающим герметизацию ствола и проведение геотехнологических исследований по интенсификации газоотдачи угольных пластов.
Испытания осуществлены в две стадии с разными режимами бароградиентного воздействия на углепородный массив. В первой стадии применялся бароградиентный метод воздействия на всю углегазовую пачку ниже горизонта 300 м. При этом было зафиксировано интенсивное газовыделение с дросселированием через наголовник водно - газовой смеси из скважины под давлением 25-30 атм., с расчетным дебитом - 4. 5 м3/мин
Во вторую стадию испытаний агрегатом ЦА-320 была закачана в скважину смесь воды с тонкозернистым (марки К-0,016) кварцевым песком при постепенном увеличении давления до 50 атм. в течение 640 с. Расход смеси составил 2100 л, рост давления в скважине происходил по сложной двухступенчатой кривой с двумя максимумами и двумя минимумами, которые сопровождались скачкообразным уменьшением и увеличением расхода водной смеси.
Первый максимум давления в 40 атм. был достигнут через 6 мин, затем произошел его резкий спад с увеличением расхода воды. Второй максимум в 50 атм. установлен через 10 мин от начала испытаний с последующим спадов до 40 атм. давления Эти данные позволяют сделать вывод, что при давлении 40 и 50 атм. произошло разупрочнение угольных пластов и вмещающих пород с резким повышением их проницаемости, что обусловило увеличение расхода нагнетаемой водной смеси и интенсивное газовыделение, с расчетным дебитом - 4.8- 5.6 м3/мин.
После достижения максимальных РТ-параметров был открыт перепускной кран на устье скважины с дроссельным стравливанием жидкости и ступенчатым снижением давления до 30, 20 и 15 атм. При этом наблюдалось интенсивное выделение вводно-газовой смеси с последующим ее фонтанированием на высоту до 10- 15 м, с расчетным дебитом - 7.8 м3/мин.
В составе выделяющихся при дросселировании газов определены методами хроматографии СН4- 35,39%, N2- 49,85%, О2 - 13,02 %, СО2 - 1,74%, что обусловлено смесью глубинных и атмосферных компонентов. В составе фонтанирующей водно-газовой смеси установлены СН4- 93,45%, N2 - 3,50%, сумма ТУ - 2,05%, СО2 - 1,12%, что практически совпадает с данными лабораторных определений состава газов в зонах флюидизации угольных пластов m81, m9 и m90 и свидетельствует о многократной интенсификации их газоотдачи в результате бароградиентного воздействия. После прекращения фонтанирования водно-газовой смеси из скважины продолжалось интенсивное выделение газов с пузырением и "пробулькиванием" при спойном изливе воды на устье. В составе газовых пузырей установлены СН4 - 95,44%, СО2 -2,7%, N2 - 1,87%, следы ТУ.
Дальнейшие испытания планировалось провести с более жестким РТ-режимом бароградиентного и гидроимпульсного воздействия и увеличением нагрузки до 80-100 атм. На первых минутах испытаний поведение углепородного массива было подобно таковому в первой стадии, т.е. одновременно с относительно равномерным расходом жидкости нарастало и давление до 25-30 атм. Однако в дальнейшем динамика барического режима резко изменилась: при продолжающемся относительно равномерном расходе жидкости в скважине начались значительные перепады давления с возрастающей амплитудой максимальных (до 50 атм) и минимальных (35-40 атм) значений
Одновременно наблюдались нарастающие вертикальные перемещения обсадной колонны (расхаживание) с амплитудой 10-15 см) и через 10 мин. после начала испытаний, после очередного скачка давления до 75 атм. произошел внезапный выброс водно-угольно-газовой смеси вместе с верхней секцией обсадных труб и фонтанированием газов. Испытания были остановлены, причем наблюдался резкий спад уровня жидкости в скважине до глубины 50 м и такое же быстрое восстановление с бурлением, выделением газов и тонкодисперсного угольного штыба. Вместе с тем такой интенсивный выброс газов наблюдался в течение 10-15 минут и в дальнейшем дебит их снизился до уровня 0,125 мЗ/с с прогрессирующим уменьшением уровня воды в скважине до глубины 56 м. В таком состоянии скважина была законсервирована для последующих наблюдений.
Анализы газов в пробах, отобранных при выбросе, показали высокие содержания СН4 (до 95,44%) при малых количествах СО2 (2,7%) и N2 (1,87%), что очевидно свидетельствует о значительном объемном разрушении угольных пластов преимущественно в пачке углегазового коллектора.
Дебит газов при выбросе оцененный по методике составил: 25402 м3/сутки, в том числе для метана - 23370 м3/сутки.
По результатам проведенных трех циклов исследований и испытаний технологических схем извлечения угольного метана можно сделать следующие общие выводы:
|