Нефть Газ и Бизнес 9'2013 Бездействующие скважины и метаноугольные пласты – объекты применения инновационной российской технологии в США и Китае. c.3

В указанных странах планируется увеличить добычу угольного метана  к 2015г.: в США до 60 млрд. м³, Китае – до 30 млрд. м³, а в Канаде и Австралии – до 15-17 млрд. м³.   

При освоении нетрадиционных, экологически чистых источников энергии, например, пластового угольного метана возникают комплексные проблемы: технологические, экономические,  экологические и социально-политические.

Общие запасы угольного метана в мире оцениваются в 260 трлн. м³, из которых 90% приходится на 10 угледобывающих стран, в том числе, Россию, Канаду, Китай, США, Австралию. В связи с известными энергетическими проблемами, интерес к добыче нетрадиционного метана растет  быстрыми темпами. В США и Китае поставлена задача, к 2015 году довести годовую добычу метана из угольных пластов до уровня 60 млрд. м³ и 30 млрд. м³ соответственно.

Метан относится к нетрадиционным источникам чистой энергии и при правильной организации его добычи может эффективно использоваться для решения местных энергетических задач и, что самое главное, его предварительное извлечение из неразгруженных угольных пластов обеспечит в перспективе безопасную работу шахтеров.

По оценке «Американского агентства по защите окружающей среды»  проблема заключается в том, что подавляющее большинство добывающих угольный метан скважин нерентабельно и срок их эффективной эксплуатации из-за отсутствия прорывных технологий ограничен [1]. Только США удалось, благодаря привлечению многочисленных частных компаний, налоговым преференциям довести его добычу до 7% от общего объема добываемого газа в стране. Начиная с 1992 года по 2012 год, использование метана в хозяйственных целях в США с 25% выросло до 80%. При этом извлеченный метан  используется преимущественно для генерации энергии с целью:

Перечисленные возможности этого вида нетрадиционного источника энергии, максимально приближенного к потребителю (без дорогостоящих многокилометровых трубопроводов), демонстрируют экономическую привлекательность добычи пластового угольного метана  и интерес бизнеса за рубежом к этой проблеме.

В последние годы за рубежом  рекламируется большое количество способов добычи метана из  метаноугольных пластов, включая попытки переноса в различных вариантах методов, применяемых для добычи традиционных углеводородов [2].

Несмотря на кажущуюся простоту строения и детальную изученность, угольная залежь на деле оказывается весьма сложным объектом для оценки содержания в ней метана, его извлечения и доставки  к потребителю.

Массовое применение за рубежом в качестве основного метода добычи угольного метана гидроразрыва пластов (ГРП) оказалось малоэффективным или вообще не эффективным. Создаваемые искусственные трещины, отличаются малой дренирующей способностью и обеспечивают невысокую степень извлечения метана, что связано с пластичностью угля [3]. При проведении ГРП по угольному пласту требуется создать трещины в направлении, существенно не совпадающим с направлением главного сжимающего напряжения (например, в наклонной плоскости). Кроме того, жидкость разрыва может блокировать миграцию метана, а загрязнение прискважинной зоны пласта продуктами бурения, цементирования и вторичного вскрытия усугубляется наличием угольной пыли и мелочи, которые кольматируют перфорационные и искусственные каналы. При этом крепление трещин ГРП проппантом и гелями зачастую не улучшают, а ухудшают дренирующую способность пласта.

Практика свидетельствует, что даже предлагаемые одноствольные и многоствольные (многозабойные) горизонтальные скважины далеко не всегда пригодны для добычи метана с точки зрения технологической эффективности и рентабельности производства. Дело усугубляется тем, что для добычи метана предлагаемыми технологиями пригодны отнюдь не все угли. Например, месторождения длиннопламенных бурых углей бедны метаном, а  залежи антрацита отличаются высокой концентрацией газа, но его невозможно извлечь с помощью существующих технологий из-за высокой плотности и чрезвычайно низкой проницаемости углей этого типа [3].

Применяемые в Австралии двуствольные горизонтальные скважины в виде латинской  буквы «V», охватывающие большую площадь дренирования, оказались эффективными только при высокой проницаемости пластов. В частности,  при проницаемости от 35 до 60 мД такие скважины в течение года могут иметь дебит от 35 до 60 тыс. м³/сутки с последующим снижением до 5-10 м³/сутки. Однако при проницаемости 0,1 мД такие скважины из-за высоких затрат на их строительство становятся нерентабельными [3].

В Китае, в одном из специальных  районов для добычи метана из угольных пластов, пробурено 6200 скважин, из которых в эксплуатации находится 4300 скважин, из которых:

•  бездействующий фонд  вертикальных скважин составляет 30%;

• скважины с дебитом более 5тыс. м³/сут. - 4%;

• скважины с дебитом от 2 до 5 тыс. м³/сут. - 14%;

• скважины с дебитом от 1 до 2 тыс. м³/сут. - 15%;

• скважины с дебитом менее 1 тыс. м³/сут. - 37%.

Из пробуренных 57 горизонтальных скважин, нерентабельных или имеющих дебит менее 5 тыс. м³/сут.,  70%, в том числе, %:

• бездействующий фонд  составляет - 21;

• с дебитом более 10 тыс. м³/сут. - 11;

• с дебитом от 5 до 10 тыс. м³/сут. - 19;

• с дебитом менее 5 тыс. м³/сут. - 49 [3].

Основной причиной экономической неэффективности производства является низкая проницаемость пластов и отсутствие микротрещиноватости, которая могла бы соединить природные трещины в единую дренажную сеть [4]. Кроме того, совместная эксплуатация многослойных пластов, которая, кстати, практикуется в России (Кузбасс),  влияет на производительность скважин в худшую сторону. Проблема заключается в том, что подошва одного пласта, является кровлей для другого. Как правило, продуктивные пласты разъединены угленосными породами, имеющими разную водонасыщенность, проницаемость и пористость. Сами угольные пласты с глубиной могут отличаться марочным составом, имеют разную пористость, проницаемость, температуру, разное горное и капиллярное давление [3].

Российская компания ООО «Новас» - резидент Государственного фонда «Сколково», разработала универсальную технологию Плазменно-импульсного воздействия (ПИВ) на продуктивные пласты углеводородов на базе использования нелинейных физических процессов, которые в 70-90-х годах прошлого столетия исследовались в областях механики, акустики, термодинамики. Понимая, что плазма - это четвертое состояние вещества, был создан «Идеальный, нелинейный, широкополосный плазменно-импульсный источник направленных периодических колебаний». Он способен за счет создаваемого синергетического эффекта (диспергирование, снятие поверхностного натяжения, синхронизация динамической системы, тепломассообмен, вызванная кавитация и т.д.) значительно увеличивать проницаемость слабо дренируемых коллекторов, создавая аномальную сеть микротрещиноватости и таким образом улучшая дренажный потенциал среды. Технология ПИВ применяется в реальных геологических условиях, без добавок химических реагентов и относится к экологически безупречному методу.

Первоначально разработанный универсальный источник плазменных импульсов в 2010-2011гг. хорошо зарекомендовал себя на нефтегазовых месторождениях России [4]. В конце 2012 и в 2013гг.  впервые за всю историю существования СССР и современной России, компания ООО «Новас» вышла на нефтегазовый сервисный рынок США, провела опытно-промышленные работы в штатах Канзас, Оклахома, Луизиана со 100% успешностью и получила признание американских специалистов и бизнесменов [5]. Количество заказов в США  для интенсификации притока углеводородов превысило 700  скважин.

Успешное применение технологии ПИВ на нефтяных месторождениях, стимулировало апробацию этой технологии для интенсификации притока метана из пласта на угольных месторождениях [3].  В апреле 2013 года технология ПИВ была применена в Китае в бездействующей скважине на метаноугольном пласте, имеющим проницаемость 0,014мД.  Несмотря на ряд неблагоприятных геолого-технических факторов, с помощью технологии плазменно-импульсного воздействия удалось повысить проницаемость пласта и вызвать поступление метана в скважину.

При разработке технологии ПИВ специалисты компании ООО «НОВАС» исходили из того, что можно рассматривать продуктивные залежи углеводородов, включая метаноугольную, как природный, многослойный, нелинейный модуль объемной упругости, содержащий диссипативную, неравновесную динамическую систему (уголь-газ-вода), имеющую стационарную круговую частоту, зависящую от начальных условий, и  возвратную силу, отнесенную к единице массы, равную силе возмущения. Для того чтобы синхронизировать колебания такой системы с целью создания сети аномальной трещиноватости, надо нарушить состояние системы за счет воздействия на нее направленными широкополосными периодическими колебаниями, предоставив самой залежи захватить доминантную частоту и запустить процесс самомодуляции. Учитывалось, что промысловые марки угля имеют хорошую акустическую проводимость, а величина критического давления, называемая давлением разрыва угольного пласта, зависит от глубины залегания, механической прочности, геостатического давления, создаваемого перекрывающей толщей пород. Дополнительное давление разрыва сил сцепления между отдельными слоями и пачками равняется, как правило, всего 1-2 МПа.

Содержащийся в угольных пластах газ существует в следующих формах:

•  свободный газ, заполняющий поры и трещины и растворенный в воде;

• газ, адсорбированный на стенках микропор и трещин;

• газ, находящийся в матрице угля в сорбированном состоянии.

В газоносных пластах основная масса молекул метана распределена в объеме угля и к системе «метан-уголь» применимо понятие «твердого раствора внедрения», причем внедрившиеся в объем угля молекулы метана занимают не пустоты в кристаллической решетке, а вакансии в твердом теле. В соответствии с сорбционной кривой Лэнгмюра для угольных пластов, процесс разгрузки сопровождается выделением газа из угля [2].

При разгрузке угля, молекулы метана, адсорбированные на поверхности пор и трещин, практически мгновенно переходят в свободный газ. Однако, этого далеко недостаточно, чтобы разгрузка угольного пласта протекала в форме взрыва. Основной вклад в возникновении внезапного выброса угля и газа носит газ, содержащийся в угле в растворенном виде. Существует единственный способ выделение этого газа из объема угля – это диффузионный механизм. Чтобы этот механизм заработал достаточно эффективно, необходимо, чтобы уголь при разгрузке подвергся диспергированию с образованием частиц размером примерно 10^-3 см, концентрация газа в этом случае в раздробленных пластинках упадет в разы за очень короткий промежуток времени  [6].

Известно, что при периодическом широкополосном воздействии обрабатываемая среда приобретает диспергирующие свойства,  поскольку скорость распространения колебаний зависит от частоты осцилляций.

Эффективный коэффициент диффузии для угольных пластов находится в пределах 10^-5-10^-6 см²/с, так что выделение газа  из объема частиц раздробленного угля происходит за время 0,01-0,1 секунд. За это время основная масса газа, накопленная в угле, переходит при его диспергировании в свободный газ. Толщина слоя угля, из которого происходит выделение газа, составляет первые  десятки сантиметров [6]. Другими словами,  речь идет о создании обширной сети аномальной микротрещиноватости.

Единственным механизмом, способным привести к диспергированию угля, является взрыв пузырьков газа, вкрапленных в структуры угольного пласта, которые начинают выделяться при периодическом широкополосном плазменно-импульсном воздействии [7, 8]. При разгрузке пласта пузырьки газа, расположенные вблизи свободной поверхности, разрывают внешнюю оболочку. Этот процесс разрушения свободной поверхности охватывает все новые и  новые слои; при этом оголяющиеся поверхности являются шероховатыми, что связано с микро- неоднородностью угля в протяженной зоне растягивающих напряжений [8].

При исследовании процесса развития трещиноватости установлен парадокс, известный как эксперимент П.В. Бриджмена. Он заключается в том, что разрыв связей происходит при снятии напряжения, а не при его приложении. При этом наблюдается разрушение твердой среды на «вафлеподобные пластины». Важными благоприятными факторами процесса является насыщенность углей водой и  величина горизонтальной  составляющей напряжения. Давление жидкости способствует разрушению при разгрузке. При этом сам процесс разгрузки не мгновенен, а наличие метана в порах увеличивает склонность угля к разрушению. Создание  техногенных трещин может осуществляться при периодическом чередовании сжимающих и растягивающих нагрузок [7].  Таким образом, развивается механизм создания аномальной микротрещиноватости,  которая инициируется широкополосными  плазменными импульсами одинаковой силы, разнесенные по времени на одинаковые отрезки, что является разрушением квазистационарной системы.

В настоящее время ООО «Новас» ведет переговоры с тремя китайскими и одной канадской компанией, о применении технологии  ПИВ на ряде метаноугольных месторождений в указанных странах.

 Выводы

Для бизнеса главными условиями являются  рентабельность вложений и сроки их окупаемости, прибыль, конкурентная среда, минимизация рисков.  Поэтому успешными будут те компании, которые инвестируют средства в инновационные прорывные технологии и применяют их на практике.

Очевидно, что инновационная технология применения плазменно-импульсного воздействия на угольные пласты для извлечения из них метана  привлекательна для бизнеса, о чем свидетельствует уже проявленный и возрастающий  интерес к ней иностранных компаний.

Очевидно также, что технология ПИВ «не волшебная палочка», и перед ее применением необходимо провести комплексное изучение продуктивной залежи с точки зрения изучения петрофизических, геологических, петрографических, геомеханических и гидродинамических особенностей строения угольных пластов, провести широкомасштабные геофизические и геолого-технологические исследования с применением современных  технических средств  и технологий.

Безусловно, в условиях России, где добыча этого вида нетрадиционного источника энергии находится на начальном этапе, для ускорения работ по извлечению метана из угольных пластов нужна специальная государственная программа, которая позволила бы угледобывающим регионам  получить доступ к экологически чистому источнику энергии и обеспечить решение многих экономических и социально-политических вопросов. Кроме того, с учетом масштабов  современного состояния и перспектив развития угольной промышленности России, обеспечение безопасных условий работы шахтеров напрямую связано с ростом добычи как пластового, так и шахтного метана.

 

Литература

1. Выступление представителя «Агентства по защите окружающей среды» США на международной конференции по проблемам метана. Пекин, ноябрь 2012г.

2. Аксельрод С.М. Добыча метана из угольных пластов. НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС, 2013. Вып. №6 (228) – С. 101-133. 

3. Выступление представителя НИИ «отделение азиатско-тихоокеанского  института, Китайский НИИ  по разведке и разработке нефтяных запасов Материалы всекитайской конференции, сентябрь 2012г.», г. Чунцин. 

4. Молчанов А.А., Агеев П.Г. Плазменно-импульсное воздействие на нефтяную залежь как на многфакторную динамическую диссипативную систему. НТВ Каротажник. Тверь, изд. АИС. 2011. Вып. №2 (200) - С. 94-105.                          

5. Diering T. PPT Technology Turning Stripper Wells into Gushers. Oil and Energy Daily. 24-th June 2013. Baltimore, USA. 

6. Дакукин А.В., Айруни А.Т., Этингер И.И., Большинский М.И., Зверев И.В., Долгов М.О. Борьба с внезапными выбросами газа и угля в шахтах. АН СССР. М.: 1984, № 12 – С. 44-45.

7. Жекамухов М.К., Жекомухова И.М. Электронный журнал «Исследовано в России» 526. Кабардино-Балкарский государственный  университет «К проблемам внезапного выброса угля и газа в шахтах».

 8. Никольский А.А. О волнах внезапного выброса газированных пород. ДАН СССР, 1953, Т. 88 с. 623-630.