Теория на практике
Эффективное высвобождение запасов скрытой потенциально опасной энергии горных пород до начала разработки угольных пластов
Результаты опытно-промышленного внедрения технологии «Плазменно-импульсного воздействия» (ПИВ) на шахте «Ерунаковская-VIII»
Начиная с 2017 года, Распадская угольная компания (РУК) совместно с компанией ООО «Георезонанс», разработчиком технологии «Плазменно-импульсного воздействия», ведет опытно-промышленное внедрение технологии, направленной на предотвращение возникновения газодинамических явлений (ГДЯ) или существенного снижения возможности их возникновения на шахте «Ерунаковская-VIII».
В основу технологии ПИВ заложены принципы относительно нового отдельного направления в науке под названием «синергетика», которая рассматривает общие закономерности развития живой и неживой природы. Условия устойчивости, природу неустойчивости и эволюцию природной динамической системы вдали от термодинамического равновесия.
Согласно синергетике, несмотря на различные физико-механические свойства газонефтяной залежи, залежей бокситов, калийных солей, порфиритов и углей, ГДЯ по своей природе и механизму выбросов везде практически одинаковые.
Это означает, что пусковой механизм, запускающий ГДЯ, — один и тот же для всех перечисленных залежей, находящихся в напряженном состоянии.
Более того, эти природные динамические системы оказались очень чувствительны к малым возмущениям и эффектам. Вовремя задействованные, эти малые возмущения и эффекты играют роль спускового механизма для скрытой, потенциально опасной на ГДЯ энергии, где движущей силой являются энергии свободного газа и упругого деформирования.
Применяемая технология, в которой основным элементом является генератор ПИВ, представляет собой искусственное подобие природного спускового механизма, способного заблаговременно, до начала разработки угольных пластов, высвобождать скрытые запасы потенциально опасной энергии с целью предотвращения ГДЯ или существенного снижения возможностей их возникновения. Технология ПИВ может также синхронизировать процессы в угольных пластах, что позволяет управлять ими в ходе отбора метана и воды через скважины, пробуренные с дневной поверхности.
Образно выражаясь, это подобие стартера в автомобиле, запускающего двигатель в работу.
После «плазменно-импульсного воздействия» оператор в течение 4-5 лет контролирует процесс изменения напряженно-деформационного состояния угольных пластов путем отбора воды и газа как из рабочего пласта, так и из опасного на ГДЯ невыдержанного пласта-спутника. Практика применения ПИВ показала, что указанного периода времени вполне достаточно, чтобы существенно снизить газоносность угольных пластов.
В процессе опытно-промышленного внедрения ПИВ на шахте «Ерунаковская-VIII» в контуре лавы 48-9 (пласты 48, 45) найдено оригинальное решение конструкции скважин.
Подавляющее большинство специалистов в России, ссылаясь на мировой опыт, считают, что извлечение угольного метана на неразгруженной залежи нерентабельно из-за конструкции скважин, заимствованных из нефтегазовой промышленности. Стоимость строительства одной скважины в ценах 2017 года колеблется от 60 до 80 миллионов рублей в зависимости от глубины залегания объекта.
Для повышения экономической эффективности технологии ПИВ разработчики исходили из того, что в угольных пластах нет аномально высокого пластового давления, как, например, при добыче нефти или природного газа, поэтому за основу взята конструкция скважины купольной дегазации, которую нет необходимости полностью цементировать. Цементаж делается только для отсечения вышележащих водоносных горизонтов. Скважину дополнили перфорированной эксплуатационной колонной, которая на шахте «Ерунаковская- VIII» пересекает как рабочий 48-й пласт, так и не выдержанный 45-й пласт- спутник и имеет зумпф глубиной от 30 до 40 метров для кооптирования выносимой пыли и угольной крошки. Эксплуатационная колонна имеет щелевую перфорацию, которая делается в заводских условиях по разработанному проекту и имеет максимальную просветность для доступа ПИВ к пластам и, после воздействия, для фильтрации воды и газа к скважине. Стоимость строительства такой скважины колеблется от 6 до 8 миллионов рублей в ценах 2017 года. То есть на порядок дешевле, чем классическая скважина.
В рамках опытно-промышленного внедрения технологии ПИВ на шахте «Ерунаковская-VIII» расположенные на расстоянии 120 метров друг от друга скважины в контуре лавы 48-9 строились блоками в период с 2017 по 2021 год включительно.
В I и во II блоках таблицы показаны результаты по каждой скважине. Суммарно за указанный период с 2017 по 2021 год извлечено более 21 миллиона м3 газа с содержанием метана 97,41%, который в отличие от природного газа или газовоздушной смеси не нуждается в предварительной подготовке для использования.
Наибольший объем газа отобрали скважины, которые вводились в строй в 2017 и в 2018 годах. Суммарно — более 15 миллионов м3 метана чистотой 97,41%
Блок скважин, запущенных в работу с 2019-го по 2021 год, отобрал суммарно более 6 миллионов м3 газа.
Поскольку подтвержденный при НИОКР радиус влияния ПИВ может достигать 1500 метров, то за время эксплуатации первых двух групп скважин (А-5 — А-24) сформировалась общая депрессионная воронка с высокой вторичной проницаемостью, которая положительно влияет на результаты ПИВ уже в блоке запущенных в эксплуатацию в ноябре 2021 и в январе 2022 года скважин А-25 — А-28 в контуре лавы 48-10.
Названные скважины работают с очень высоким дебитом, от 7,5 до 13 тыс. м3/сутки, суммарно извлекая более 37 тыс. м3/сутки. Только на участке в 600 метров (между скважинами – 120 метров) за 6 месяцев извлечено более 5 миллиона м3 метана. Такие результаты сопоставимы с объемами извлекаемого природного газа ПАО «Газпром» на некоторых нефтегазовых месторождениях.
Следует отметить, что в мировой практике для того, чтобы извлекать такие объемы метана, требуется большое количество традиционных дорогостоящих скважин и срок от 10 до 15 лет.
В нашем случае для высвобождения потенциально опасной энергии при заблаговременной дегазации методом ПИВ на контур лавы в 3000 метров потребовалось бы всего 15-16 скважин и срок 4-5 лет. При этом скважины могут буриться через каждые 200 метров.
Запущенные в работу скважины за 4 года эксплуатации отобрали максимальное количество газа, снизив по предварительным подсчетам и наблюдениям газоносность в своем секторе в среднем с 24 м3/т до 7-8 м3/т. По крайней мере, по оценкам РУК снижение оценивается в 14 м3/т при природной газоносности 24 м3/т. Остаточная газоносность в районе скважин в зависимости от срока их эксплуатации различная.
Кроме того, в ходе эксплуатации скважин выявлены аномальные зоны, как представляется, опасные на возможные ГДЯ, при этом некоторые из них законсервированы из-за обнаруженных аномалий, не выявленных при проектировании.
Так, скважина №13 отобрала более миллиона м3 газа и по-прежнему эксплуатируется с высоким дебитом. Однако в ходе ремонтных работ стало понятно, что она находится в геологическом нарушении с перемятым в порошок углем. Предполагается, что не опасный в районе этой скважины уголь становится опасным на самовозгорание и ГДЯ при бурении скважин пластовой дегазации.
Скважины А-14 и А-16 были деформированы на отметке 250–280 метров из-за попадания при бурении в обусловленное наличием разноориентированных трещин сдвиговое поле напряжений. Такое явление объясняется возникновением медленных волн смятия сдвигового характера, что привело к деформированию колонны скважины А-16 и через 10 дней скважины А-14. События совпали с показаниями датчиков, установленных в шахте, что подтверждает аномалию на вышеназванных глубинах.
Выявлено еще одно необъяснимое явление. На скважине А-20 вместе с метаном стал выходить твердый кристаллический порошок, который забивал расходомер по газу. При этом кристаллы хорошо растворялись в воде. Анализ в центральной лаборатории «Запсиба» показал, что он на 38% состоит из оксида натрия, которого в природе не существует. Для его производства требуется высокое давление и температура. Через полгода выход оксида уменьшился, но насос вышел из строя. Скважину остановили, гидростатический уровень стабилизировался на отметке 350 метров, при глубине скважины 680 метров, тем не менее скважина продолжает работать с дебитом 30 м3/час при одновременном снижении гидростатического уровня и росте затрубного давления с 0,9 до1,5 атмосферы.
Такую аномалию можно объяснить наличием зоны 48 и 45 угольных пластов с высокой концентрацией газа и повышенным пластовым давлением. Если кристаллы с оксидом натрия блокируют газ в микропорах, микротрещинах и капиллярах, то эта зона может представлять определенную опасность на возникновение ГДЯ. Остается вопрос, каким образом в пластах 48/45 образовался оксид натрия.
Аномальная взаимосвязь скважин наблюдалось при работе генератора ПИВ в скважине А-28, которая находится в контуре лавы 48-10. В частности, во время инициирования импульсов растяжения-сжатия в пласте 45 в скважине А-28 на остановленной на ремонт скважине А-24, находящейся в контуре лавы 48-9 на расстоянии 1400 метров, автоматика в операторской зафиксировала устойчивые выбросы газа до 120 м3/час. После перехода генератора и, соответственно, растягивающих и сжимающих напряжений на 48-й пласт выход газа в скважине А-24 стабилизировался на уровне 50 м3/час. После прекращения работы генератора в скважине А-28 скважина А-24 вернулась к своему прежнему состоянию.
Практически это явление наглядно подтверждает возможность генератора ПИВ играть роль подобия механизма, запускающего в действие скрытую энергию угольного пласта, инициируя самораскачивающийся процесс на значительном расстоянии, и в то же время, может свидетельствовать о наличии эндогенной трещины, которая пересекает контуры лав и 48-9, и 48-10.
Суммируя вышесказанное, можно сделать однозначный вывод: метод «плазменно-импульсное воздействие» (ПИВ) подтвердил эффективную способность высвобождения запасов скрытой потенциально опасной энергии до начала разработки угольных пластов. Кроме того, применение ПИВ позволяет не только значительно снизить газоносность угольных пластов, но и выявлять аномалии, опасные на возникновения ГДЯ.
- Авторы:
- Сергей Ширяев,
- первый заместитель генерального директора, технический директор компании «Распадская угольная компания»
- Петр Агеев,
- член-корреспондент МАНЭБ, директор по науке
- Андрей Десяткин,
- кандидат горно-минералогических наук, главный инженер проектов компании «Георезонанс»