Дегазация угольных пластов пороховыми генераторами давления
Н.И.Грибанов, инж., МГГУ
Одним из перспективных направлений дегазации угольных пластов являются способы активного воздействия через скважины с поверхности. При этом, за счёт кардинального изменения свойств и состояния угольного пласта, радиус контура питания (дренирования) скважины может достигать 100–150 м и более, в то время как при вскрытии пласта скважинами и горными выработками этот радиус ограничен несколькими метрами в силу низкой естественной газопроницаемости угля, редко превышающей 10–2 мД.
Научно-исследовательские и опытно-промышленные работы по ресурсосберегающим технологиям этого направления, являющегося составной частью решения проблемы метанобезопасности угольных шахт, проводятся сотрудниками МГГУ с 1957 г. и являются одними из приоритетных в ВУЗе.
Обоснованию включения в состав комплексного технологического процесса обработки угольного пласта пороховых генераторов давления (в дальнейшем – генераторы), первым результатам и путям совершенствования их применения посвящена данная статья.
В настоящее время для различных горно-геологических условий разработан целый ряд высокоэффективных технологических схем извлечения метана на основе комплексного применения различных способов воздействия. Многие из этих способов являются принципиально новыми и не имеют аналогов в мире, они защищены патентами и приоритетными публикациями. Об уровне их решения можно судить на примере технологической схемы заблаговременной дегазации угольных пластов при разработке высокоуглегазоносного массива, которая создана на основе новых технологий МГГУ. Эта технологическая схема была отмечена высшими наградами на самых престижных международных выставках – дипломом с отличием и золотой медалью на Салоне инноваций в Брюсселе (ноябрь, 2001), дипломом и золотой медалью на Салоне изобретений (Конкурс Лепин) в Париже (май, 2002) и серебряной медалью на юбилейном XXX Международном Салоне изобретений и новой техники в Женеве (май, 2002).
Разработки МГГУ опробованы и внедрены в Донецком, Карагандинском и Печорском угольных бассейнах, где университет имеет полигоны для опытно-промышленных испытаний.
Основными (базовыми) способами воздействия на углегазоносный массив в комплексных технологических схемах могут быть: гидрорасчленение, пневмовоздействие с использованием гидроклина, циклическое пневмогидровоздействие в режиме кавитации, знакопеременное гидровоздействие в режиме кавитации с использованием геоэнергии углегазоносного массива, гидроимпульсное воздействие с использованием эффекта обратного гидроудара и др. Все эти способы обеспечивают радиус дренирования не менее 100 м. Эффективность самостоятельного применения этих способов может быть невысока. Например, эффективность дегазации при гидрорасчленении составляет 38–87%, при этом наибольшее снижение природной газоносности достигнуто на мощных пластах, залегающих на глубинах до 450–500 м. В сложных горно-геологических условиях, особенно при больших глубинах, их необходимо комбинировать с другими способами, когда каждый последующий способ дополняет предыдущий или устраняет его недостатки, а предыдущий создает благоприятные условия для применения последующего [1, 5].
Пример комплексной технологической схемы воздействия на угольный пласт и добычи метана представлен на рис. 1.
Генераторы имеют массовое применение в России и за рубежом при освоении и разработке низкопроницаемых и трудноосваиваемых коллекторов как метод высокоэнергетического газодинамического воздействия на призабойную зону пласта для стимуляции нефтяных и газовых скважин. Об их эффективности свидетельствуют объёмы ежегодно выполняемых обработок, измеряемых в тысячах скважин. Область применения генераторов практически не ограничена: в мелких, глубоких, горизонтальных (нефтяных), в обсаженных и необсаженных скважинах диаметром более 60 мм, в комплексе с любыми существующими способами воздействия (ГРП, КО и так далее), в различных агрессивных жидкостях, при депрессии и репрессии на пласт.
Рис. 2 Пороховой генератор давления ПГД.БК и импульсы давления, создаваемые различными генераторами в скважине
1 - зависимость Р(t) для генератора ПГД.БК [2]; 2, 3, 4 - для генератора ПГРИ, при горении бронированных зарядов (2) и комбинации бронированных и небронированных зарядов с огневым способом воспламенения (3), комбинации бронированных и небронированных зарядов с детонационным способом воспламенения (4) [6]
Известен опыт успешного применения генераторов в нагнетательных скважинах при добыче редких металлов и серы методом подземного выщелачивания (Западная Украина, ПГО «Кировское» и ПО «Сера»), в скважинах при добыче угольного метана (США, Австралия, где работы проводит компания Hi-Tech [4]). Кроме этого проведены экспериментальные работы на угольных скважинах в Донбассе, результаты которых описаны ниже.
Применение генераторов отличается высокой мобильностью, простой технологией и экологической безопасностью, что позволяет проводить работы с небольшими затратами времени и средств, в любое время года и с различными природно-климатическими условиями.
Воздействие на скважину и пласт
Пороховые генераторы давления (рис. 2) – устройства однократного применения, состоящие из гирлянды пороховых зарядов цилиндрической формы, системы их воспламенения и несущего каркаса, спускаются в скважину на геофизическом кабеле. Горение пороховых зарядов в скважине, заполненной жидкостью, сопровождается образованием газообразных продуктов горения, повышением давления и температуры, в результате чего призабойная зона пласта подвергается механическому, тепловому и физико-химическому воздействию.
Основной фактор воздействия – механический. Выбирая различные типоразмеры генераторов, массу и форму зарядов, скорость нагружения горных пород можно изменять от 101 до 106 МПа/с, амплитуду давления – от нескольких МПа до полного горного давления, или превышать его в несколько раз. При этом продолжительность импульса давления также изменяется и может быть от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. Теоретические, модельные и натурные исследования в горных выработках и скважинах, компьютерное моделирование [2, 3, 4] показали, что такие импульсные нагрузки создают в околоскважинном массиве разветвлённую сеть остаточных трещин, протяжённость которых в песчаных и карбонатных породах может достигать 10–15 м. Установлено, что протяжённость трещин пропорциональна длительности эффективного импульса давления (эффективное давление – величина давления, равная двум гидростатическим давлениям 2Р0 или примерно 0.8 горного давления, достаточная для образования искусственных вертикальных трещин), модулю Юнга породы и обратно пропорциональна проницаемости. Двукратное воздействие генератором увеличивает протяжённость трещин в 1.2–2 раза. Ширина трещин обратно пропорциональна модулю Юнга и, как и протяжённость, мало зависит от коэффициента Пуассона. Образующиеся трещины смыкаются частично, а остаточные не требуют закрепления по причине необратимых деформаций пород при высокоскоростных динамических нагрузках (рис. 3).
Надо отметить, что горение порохов не переходит в детонацию, характеризующуюся скачком давления. Поэтому нагружение пород давлением пороховых газов не приводит к дроблению пород, как при взрыве.
На рис. 2 приведены данные по импульсам давления, создаваемым различными генераторами в скважине.
В обсаженных скважинах при достаточной плотности перфорации, качественной цементации затрубного пространства и правильно выбранной массе заряда генератора нарушений целостности обсадной колонны не происходит.
Результаты экспериментальных работ
С целью установления возможности применения воздействия генераторов на угольный пласт для его заблаговременной дегазации путём создания сети ориентированных к скважине трещин, МГГУ совместно с ОАО «ВНИПИвзрывгеофизика» были выполнены экспериментальные работы на двух пробуренных с поверхности скважинах ПО «Октябрьуголь» [5]. Обе скважины обсажены колонной диаметром 146 мм. Перед обработкой скв. У-3354 вскрыта гидропескоструйной перфорацией в интервале 316.0–317.1 м (площадь вскрытия 0.02 м2), скв. У-4032 – кумулятивной перфорацией в объёме 40 отверстий в интервале 480.0–481.2 м (площадь вскрытия 0.01 м2).
Угольный пласт в скв. У-3354 имеет пористость 1.4%, проницаемость 0.1–0.2 мД, газоносность 16–25 м3/т. Опытные работы на этой скважине продолжались около 3 лет, при этом в течение первого года выполнено 12 операций с генераторами, в процессе чего отрабатывалась технология работ, испытывались различные конструкции генераторов, проводились оперативные исследования по измерению проницаемости пласта и газовыделения из скважины. На первом этапе работ применялись генераторы ПГД.БК-100 (9 операций на глубинах от 157 до 315 м), характеризующиеся относительно низкой скоростью нарастания давления и большой длительностью создаваемого импульса давления. При изменении массы заряда генератора от 10.5 кг до 52.5 кг давления, развиваемые пороховыми газами в зоне обработки, составили от 10.6 МПа до 19.8 МПа. В результате коэффициент приёмистости пласта увеличен с 0.12·10–4 м3/ МПа·с до 1.7·10–4 м3/ Мпа·с. На втором этапе использовались специально разработанные для мелких скважин быстрогорящие генераторы «Рулон», в том числе в комбинации с ПГД.БК. При применении только генератора «Рулон» (масса заряда 7 кг) получено давление 26.7 МПа, а в комбинации с ПГД.БК (общая масса заряда 27 кг) – 27.1 Мпа. Одна операция с ПГД.БК (масса заряда 31.5 кг) выполнена с засыпкой в скважинную жидкость промышленной соли до устья, при этом, как и с генератором «Ромашка», получено достаточно высокое давление, равное 26.9 МПа. В конечном итоге коэффициент приёмистости увеличен до 12.3·10–4 м3/МПа·с, проницаемость – с 0.2 мД до 33.4 мД, дебит газа после обработки составил 17.3 м3/ч, среднесуточный за полтора года работы – 1.2 м3/ч газовой смеси.
Рис. 3 Схематическое отображение одного из испытаний по горной выработке.
Наибольшая длина трещин составляет 7 м [3]
При проведении подземных исследований в лаве пласта, на которую пробурена скважина У-3354, установлено изменение фильтрационных, физико-механических и газодинамических свойств угольного пласта. Исследования динамической прочности угля позволили установить, что на расстоянии 4–13 м от скважины наблюдалось разрушение угольного пласта, на расстоянии 25–43 м от скважины среднединамическая прочность угля снизилась с 72.5±6.8 до 50.2±12.5 условных единиц или в 1.4 раза (рис. 4). По результатам газовых съёмок установлено изменение величины абсолютной газообильности пласта с 4.97 м3/мин до 0.53 м3/мин, зона влияния скважины отмечается с 25–15 м до подработки скважины и заканчивается на 37–40 м после подработки скважины (рис. 5), среднее значение начальной скорости газовыделения из шпура снизилось в 3 раза (рис. 6).
Исследованиями трещиноватости угольного пласта в лаве на протяжении 150 м, по мере подвигания очистного забоя, как вне зоны, так и в зоне влияния скважины установлено следующее:
- около скважины образовалось пустотное пространство за счёт размыва и разрыва пласта пороховыми газами и парами воды. Полость имеет вытянутую форму с максимальными размерами по ширине 2.0 м и по длине 5.2 м, и, выклиниваясь, на расстоянии 20 м от скважины имеет зияние 0.18 м;
- уголь в прилегающей к скважине зоне (на расстоянии до 0.8 м по падению и восстанию и в 13 м от скважины по простиранию пласта) разрушен, перемят, отваливается от забоя при лёгком прикосновении;
- две известные до воздействия системы естественной трещиноватости, имеющие определённую ориентировку, претерпели изменения: их развитие стало больше, чем в необработанной зоне, зияние трещин увеличилось с 0.1–0.4 мм до 2.0–5.0 мм в радиусе до 18–20 м;
- обнаружены две новых системы трещин: в первой – трещины имеют форму концентрических окружностей отрывного характера, зияние от 1 мм до 3 мм, уголь в них перемят и разрушен, прослежены на расстоянии более 25 м от скважины, с уменьшением их количества и размеров; во второй – трещины радиального направления с вертикальной и горизонтальной ориентировкой, изогнутые с выраженным изломом, зияние от 2 мм до 8 мм, уголь в зонах трещин так же перемят и разрушен; на расстоянии 20–25 м от скважины трещины выклиниваются.
Рис. 4 Изменение динамической прочности угля в зависимости
от расстояния до скважины
Рис. 5 Изменение абсолютной газообильности пласта
Рис. 6 Изменение начальной скорости газовыделения из шпура
Таким образом, многократное воздействие на угольный пласт пороховыми генераторами экспериментально подтвердило изменение физико-механических и газодинамических характеристик пласта в радиусе до 40–50 м.
Материалов по скв. У-4032 недостаточно, чтобы в полном объёме сделать анализ результатов применения генераторов по данной скважине. Известно только, что последовательно выполнено три операции генератором ПГД.БК с массой зарядов 21.0 кг, 31.5 кг и 31.5 кг и получены давления 14.6 МПа, 26.0 МПа и 21.3 МПа соответственно. При этом коэффициент приёмистости пласта после первой обработки составил 0.06·10–4 м3/МПа·с, после третьей – 0.43·10–4 м3/МПа·с, расход газовой смеси – 3.0 и 6.0 м3/ч соответственно. Низкие результаты обработки можно объяснить вообще малой эффективностью генератора ПГД.БК в неглубоких скважинах, поскольку вне зависимости от массы заряда он не может развить высоких давлений в силу медленного сгорания. Относительно высокое давление при второй операции, как и при ряде операций в скважине У-3354, связано с тем, что сжигание генератора производилось на значительном удалении от интервала перфорации, в семи метрах выше.
Применение пороховых генераторов в составе комплексной технологической схемы воздействия на угольный пласт
Включение пороховых генераторов в состав комплексных технологий при обработке угольных пластов впервые осуществлено на Воркутинском месторождении (поле шахты «Комсомольская»), где на удалении около 500 м от ближайших подземных горных выработок пробурено несколько скважин с целью извлечения метана. Здесь, в дополнение к основному способу воздействия (гидродинамическое воздействие на пласт в режиме фильтрации) на двух скважинах применены пороховые генераторы ПГД.БК 100/50 (рис. 2). Расстояние между скважинами 200–300 м, эксплуатационные колонны имеют внутренний диаметр 92 мм. На каждой скважине вскрыты и обработаны по два угольных пласта мощностью 1.5 м и 2.25 м, залегающих на глубине от 1017 до 1036 м.
Вскрытие угольных пластов производилось кумулятивными перфораторами типа ПР-54 с плотностью отверстий 30 отв./м. Применение кумулятивной перфорации, в отличие от традиционной гидропескоструйной, в комплексе с последующим воздействием на угольный пласт пороховым генератором, является, на наш взгляд, наиболее оптимальным методом вторичного вскрытия. Это экономически выгодный и экологически чистый способ вскрытия, потому что при этом на поверхность не извлекается огромный объём загрязнённой угольными частицами рабочей жидкости, как при гидропескоструйной перфорации. Те недостатки, которые присущи кумулятивной перфорации, устраняются генератором, применение которого многократно увеличивает её эффективность.
Применение генераторов обеспечивает, как это показано выше, равномерный охват трещиноватостью прискважинной зоны угольного пласта уверенно в радиусе 20–25 м. При этом важно отметить ещё два момента трещинообразования, существенно влияющих на работу базовых способов воздействия. Это, в первую очередь, связано с тем, что устраняются скин-эффекты, возникающие при бурении и связанные с глинистой коркой, зонами кольматации и проникновения фильтрата, а также возникающие при проведении перфорации, за счёт несовершенства вскрытия (малые длина каналов и диаметр их отверстий, недостаточное количество отверстий) и ухудшения проницаемости вокруг перфорационных каналов (шламовая корка на части внутренней поверхности канала, твёрдые частицы пород, закупоривающие канал, зона уплотнения пород с ухудшенной проницаемостью, расположенная за зоной дробления пород и так же, как и она, окаймляющая канал). Во-вторых, устранение скин-эффектов и сама трещиноватость существенно повышают эффективность работы базового способа, в плане повышения равномерности обработки угольного массива.
Газодинамическое воздействие на угольные пласты с помощью генераторов выполнено на двух скважинах. На скважине ПК-4447 последовательно выполнены 3 операции. Масса генератора выбиралась с учётом рекомендаций [2] и поправкой на угольные месторождения. Масса порохового заряда во всех циклах равнялась 17 кг. Максимальные давления, измеренные крешерным прибором в зоне обработки, составили 41.2 МПа, 41.2 МПа и 41.0 МПа соответственно. На скважине ПК-4419 так же последовательно выполнены 3 операции, при этом масса порохового заряда при первой операции равнялась 8.5 кг, при второй – 11.9 кг, при третьей – 17 кг; максимальные давления составили 43.0 МПа, 46.0 МПа и 41.1 МПа соответственно.
Эффективность воздействия генераторов оценивалась по результатам гидродинамических испытаний скважин после перфорации и после сжигания генераторов. Установлено, что гидропроводность угольных пластов после сжигания генераторов увеличилась по скважине ПК-4447 в 14 раз, а по скважине ПК-4419 – в 27 раз. При измерении кратковременных значений дебита метана на скважине ПК-4419 после первой операции получено 0.2 м3/мин, после третьей – 1.0 м3/мин. Результаты по скважине ПК-4447 несколько хуже. Причины этого можно объяснить значениями максимальных давлений: их равные значения во всех трёх операциях свидетельствуют о том, что процесс трещинообразования если и был, то незначительным; здесь после второй операции необходимо было увеличить плотность перфорации и массу заряда при третьей операции.
После воздействия с помощью ПГД.БК было осуществлено гидродинамическое воздействие на угольные пласты в режиме фильтрации.
В настоящее время происходит выдержка рабочей жидкости в угольном пласте до полного замещения метана в сорбционном объёме.
На 2005 год намечается извлечение воды и газа метана из скважин, которое будет сопровождаться соответствующим комплексом газогидродинамических исследований на скважине.
Выводы и рекомендации
При воздействии на угольный пласт пороховыми генераторами давления происходит расширение естественных природных систем трещиноватости, создаются новые системы трещиноватости радиального и концентрического характера. В результате образуется единая гидравлическая сеть трещин, ориентированных к скважине, которая равномерно охватывает пласт в радиусе до 25 м, происходит значительное увеличение проницаемости прискважинной зоны и увеличение съёма газа из угольного пласта. При циклической обработке угольного пласта генераторами радиус воздействия может достигать 40–50 м. Создаются благоприятные условия для последующего применения базовых способов воздействия на пласт, увеличения расстояние между скважинами и снижения сроков ввода скважин в эксплуатацию.
Многообразие конструкций генераторов и зарядов к ним с различными характеристиками горения даёт возможность выбрать оптимальные условия для эффективного воздействия на пласт, характеризующегося, в каждом конкретном случае, своими индивидуальными свойствами. В скважинах глубиной от 200 до 1000 м эффективно применение быстрогорящих генераторов типа «Рулон» и ПГРИ-100, имеющих огневую систему воспламенения и обеспечивающих скорость нагружения горных пород порядка 104 МПа/с; в диапазоне глубин от 100 м и более широкое применение могут найти генераторы типа ПГД-42Т и ПГРИ-50К, имеющие детонационную систему воспламенения и обеспечивающие скорость нагружения пород 104–106 МПа/с.
Для увеличения радиуса воздействия на пласт в 1.5–2 раза следует привлечь опыт комплексирования генераторов с жидкими горюче-окислительными составами (например, высококонцентрированный водный раствор аммиачной селитры и карбамида), что имеет широкое применение для стимуляции нефтегазовых скважин глубиной более 700 м [7].
Изложенное в данной статье представляет интерес для специалистов, занимающихся разработкой других полезных ископаемых, например, при рыхлении скальных и мёрзлых пород (в том числе в помощь гидроразрыву), при необходимости обеспечения щадящего воздействия на породу и близлежащие промышленные сооружения, а также во время добычи природных алмазов при разработке кимберлитовых месторождений.
