Аннотация
Чумарина А. В., Веретельник С. П., Голубев А. В. Направления конструктивного и технологического совершенствования подземной газификации горючих ископаемых В докладе рассматриваются перспективы разработки угольных, а также сланцевых месторождений путем подземной газификации. Проанализированы технологические режимы проведения внутрипластового горения углей и горючих сланцев. Предлагается усовершенствование подземной газификации как вторичного способа добычи нефти.
В природе существуют месторождения горючих ископаемых, которые разрабатывать традиционными способами для получения топлива нерентабельно. Причина заключается в сложных горно-геологических условиях залегания пластов и в характеристиках залегаемого топлива: высокая зольность, влажность и соответственно низкая теплотворная способность. К низкосортным видам топлива относят: бурые угли, торф, горючие сланцы. Подземная газификация, которая заключается в превращении под землей топлива в горючий газ, делает возможной разработку месторождения со сложными характеристиками.
Первый в мире проект подземной газификации топлива был разработан в СССР в 1928 г. В 1933 г. была создана контора «Подземгаз» с целью координации научно-исследовательских, проектных и экспериментальных работ по шахтному вскрытию угольных пластов на Горловской, Лисичанской, Шахтинской, Ленинско-Кузнецкой и Крутовской опытных станциях. Промышленная эксплуатация станций подземной газификации угля проводилась в Подмосковном, Кузнецком, Ангренском угольных бассейнах.
Сущность технологии подземной газификации угля (ПГУ) заключается в бурении с поверхности земли вертикальных или наклонных скважин до угольного пласта: дутьевой (нагнетательной) (для подачи дутья в газифицируемый пласт) и газоотводящей (для отвода продуктов газификации). Вертикальные (наклонные) скважины соединяются в пласте одним из известных способов. При подаче дутья происходит розжиг угольного пласта и обеспечиваются условия для превращения угля непосредственно в недрах в горючий газ. Произведенный газ выводится по скважинам на земную поверхность.
Качество получаемого подземного газа зависит от технологических режимов проведения процесса подземной газификации. Технологический режим подразумевает различное количество и состав дутья в огневой забой.
При использовании воздушного дутья (рис. 1) основной горючей частью получаемого газа являлся оксид углерода, но большую часть газа занимал негорючий азот. Следовательно, газ на воздушном дутье имеет сравнительно невысокую теплотворную способность.
При искусственном обогащении воздуха кислородом теплотворная способность газа увеличивалась, так как росло содержание оксида углерода и водорода, а содержание азота снижалось. Таким образом, изменение содержания кислорода в дутье является регулятором теплоты сгорания газа.
По нашему мнению значительный интерес как в плане понимания процесса подземной газификации, так и в качестве направления получения ценного технологического газа представляют опыты, проведенные на Горловской опытной станции (Донбасс). Их сущность заключалась в следующем: режим дутья состоял из периодического чередования дутьевого и бездутьевого периодов.
Было выявлено, что с прекращением подачи дутья газ продолжает вырабатываться в течение довольно длительного промежутка времени и имеет более высокую теплоту сгорания, чем газ при дутьевом периоде. Количество такого газа постепенно снижается, но качество его непрерывно растет за счет возрастания содержания водорода. Бездутьевой период (рис. 1) характеризуется систематическим нарастанием содержания водорода в газе, концентрация которого может достигать до 60%, содержание оксида углерода падает, снижается содержание азота. При последующем периоде дутья показатели меняются, резко снижается водород, резко растет азот, увеличивается содержание оксида углерода, увеличивается выход газа [1].
Рисунок 1 – Состав газа ПГУ при различных режимах дутья
При дальнейшем изучении этого явления оказалось, что состав газа, получаемого при остановке дутья, зависит от состава и продолжительности дутья до момента остановки. Регулируя содержание кислорода в дутье и длительность дутья, удавалось при последующем бездутьевом периоде получать с высокой теплотой сгорания. В результате работы на двухцикличном режиме во время дутьевого периода получался энергетический газ, пригодный для различных энергетических целей, во время бездутьевого режима – технологический газ, который может быть использован в качестве технологического сырья для синтетических и других производств. Угольные пласты, на которых проводились опыты, имели не самые удачные характеристики: крутопадающий пласт, средняя мощность (1,9 м). Тем не менее, на этом участке удавалось получать газ с теплотворной способностью в среднем 8,4 МДж/м3.
Подземную газификацию возможно рассматривать как альтернативный способ бесшахтной эксплуатации месторождений горючих сланцев. Горючие сланцы являются низкосортным видом топлива с высоким содержанием золы и влаги. Вторичными продуктами переработки сланцев являются сланцевый газ и смола, которая может применяться в качестве жидкого топлива. Комплексная переработка горючих сланцев является перспективным направлением, так как мировых запасов сланцев на порядок больше, чем запасов нефти и природного газа. Крупные месторождения этого топлива находятся в Болгарии, России, Австрии, Канаде, Швеции, Сербии, Австралии и США.
Технологический процесс подземной газификации горючих сланцев аналогичен процессу подземной газификации угля. Опытно-промышленная установка для проведения научно-исследовательских и экспериментальных работ по подземной газификации горючих сланцев была построена на сланцевом комбинате «Кивели». Технологический процесс проходил с применением дутьевого и бездутьевого периода, применяемый для газификации угля. В результате эксперимента был получен газ бездутьевого режима с теплотворной способностью порядка 14 МДж/м3, состав которого в среднем составлял: СО2 – 7,6%; О2 – 0,2%; СО – 9,3%; Н2 – 32,6%; СН4 – 13,6%; N2 – 24,1% [2]. Таким образом, полученный газ имеет относительно высокое содержание горючих веществ, также в период бездутьевого режима имеет место интенсивное выделение газа высокой теплотворности и значительных количеств смолы.
Перспективным направлением развития подземной газификации топлива является газификация нефтяных пластов.
Одной из важнейших задач нефтяной промышленности является повышение коэффициента извлечения и доизвлечения нефти из отработанных месторождений. Были разработаны различные методы воздействия на нефтяной пласт: законтурное и площадное заводнение, нагнетание воздуха и газа, гидравлический разрыв пласта и др. Наиболее распространен метод вытеснения нефти из пласта водой. Однако применяемые методы все же не решают проблему достаточно полного извлечения нефти из пласта. Одним из эффективных методов физического воздействия на пласт является тепловая обработка, которая включает в себя внутрипластовое горение.
Метод подземной газификации нефтяных пластов (внутрипластовый движущийся очаг горения) был предложен для истощенных необводненных пластов, который по аналогии с газификацией угля заключается в следующем: в районе нагнетательной скважины создается очаг горения, поддерживаемый за счет нагнетания в пласт воздуха. При этом предполагается, что меньшая часть нефти будет расходоваться на горение, а большая часть – подвергнется разложению на более легкие фракции. Полученные фракции будут отобраны соседними эксплуатационными скважинами.
Нашим предложением является использовать для горения попутные нефтяные газы, что позволит исключить расход нефти при внутрипластовом горении. Для этого предлагается специальное устройство, выполняющее функции пластового огневого нагревателя. Для этого необходимо выполнить дутьевую (нагнетательную) скважину в виде трех труб, расположенных одна внутри другой. По внешнему кольцу подается например, воздух, по внутренней трубе – нефтяной газ (или наоборот). Колонна входит в нефтяной пласт. В пласте за счет поступающих нефтяного газа и воздуха поддерживается внутрипластовое горение. Одновременно в очаг горения тем или иным способом подается вода, например впрыскиванием в воздух и/или нефтяной газ. Вода необходима для уменьшения температуры горения и генерации пара. Таким образом, внутри пласта создается генератор пара, получаемый тепло за счет формально внешних энергоносителей.
Перечень ссылок
1. Нусинов Г. О. Подземная газификация углей / Нусинов Г. О. – Москва: ГОНТИ НКТП СССР, 1938. – 128 с.
2. Аренс В. Ж., Семененко Д. К. Физико-химические методы разработки месторождений каустобиолитов. – М.: ОНТИ института Госгорпроект, 1971.