Горная промышленность №1(119) 2015 с.2. Технология плазменно-импульсного воздействия – нетрадиционный подход к дегазации угольных пластов

П.Г. Агеев, Н.П. Агеев, А.С. Десяткин, Г.А. Елсуков, группа компаний «Новас» – «Георезонанс»

Высокая аварийность на предприятиях угольной промышленности зачастую связана с непредсказуемыми выбросами угля и газа в рабочее пространство шахт. Это явление продолжается десятилетиями и приводит к гибели большого числа шахтеров.

По мере увеличения глубины залегания угольных пластов геологические условия в шахтах усложняются, возрастает горное давление, увеличивается напряженное состояние, которое приводит к снижению проницаемости, увеличивается газоносность угольных пластов, значительно возрастает опасность внезапного выброса угля и газа, следовательно, растет себестоимость дегазации, возникает все больше трудностей в управлении процессом.

Существует множество гипотез, объясняющих причины неожиданных выбросов угля и газа в рабочее пространство шахт, однако ни одна из них не раскрывает «спусковой» механизм этого явления.

Мировая практика

В последние 30 лет с целью дегазации угольных пластов и утилизации газа для промышленных нужд предпринимаются попытки заблаговременного извлечения метана через вертикальные и горизонтальные скважины. Однако, по оценке представителя «Американского агентства по защите окружающей среды» Ф. Руиз, во всех странах, добывающих метан из угольных пластов, отмечается огромное количество малодебитных или простаивающих скважин без притока метана.

По причине нерентабельности добычи с помощью традиционных технологий корпорация Chevron (США) «разошлась с метаном навсегда».

В Индии по тем же причинам многие компании прекратили работу и вернули выделенные участки государству. В Китае по состоянию на конец 2013 г., из 13 тыс. пробуренных вертикальных и горизонтальных скважин добывается всего 2,7 млрд м³ газа, а путем обычной вакуумной дегазации из 13048 шахт извлекается 10 млрд м³ метана. Из-за нерентабельности только в 2-х провинциях – Шаньси и Шэньси – в конце 2013 г. было выведено из эксплуатации 2000 скважин. По оценке китайских специалистов, на каждый направленный в дотации 1 млрд юаней возвращается только 400 млн.

Проблема нерентабельности скважин, как представляется, заключается в том, что механический перенос традиционных технологий, применяемых в нефтегазовой промышленности, для добыче метана совершенно не обоснован. Как правило, проекты по добычи метана рассчитаны на 10–20 лет, без каких-либо гарантий дегазации угольных пластов хотя бы до безопасных уровней. Как результат, возникает нездоровый механизм согласований между добычей угля и добычей метана. Предприятия, добывающие уголь, требуют максимальной дегазации в максимально короткие сроки. Однако ни того, ни другого традиционные технологии, как правило, обеспечить не могут.

Сравнительный анализ специфики добычи угольного газа метана и природного газа (рис. 1) свидетельствует, что геолого-технические, гидрологические, геомеханические, физические, петрографические особенности и сама методика извлечения метана из угольных пластов настолько отличаются от традиционной добычи природного газа, что предлагаемые методы, заимствованные из нефтегазовой промышленности, в большинстве своем оказались малоэффективными.

Количество скважин, например, в Китае, без притока метана либо малодебитных как вертикальных, так и горизонтальных превышает 70%.

Обращает на себя внимание тот факт, что эффективность разрекламированных горизонтальных скважин, полностью зависит от проницаемости угольных пластов. В частности, по оценке иностранных специалистов, при проницаемости пластов менее 1 мД (миллидарси) бурение таких скважин совершенно бесперспективно.

Возникла острая необходимость в разработке новых технологий для дегазации угольных пластов. Следует отметить, что методику его извлечения можно отнести к междисциплинарной науке. Следовательно, и методы добычи метана должны быть нетрадиционными. Для этого очень важно постараться понять «запускающий механизм» неожиданных выбросов метана и научиться предотвращать или, по крайней мере, снижать условия возникновения неожиданных выбросов.

«Запускающий механизм» газодинамических процессов

Изучая многочисленные гипотезы, мы обратили внимание на одно необычное явление.

По данным, приведённым в [1], построена точечная зависимость удельного выхода газа при выбросах, рассчитанного как частное от деления количества выделившегося газа на массу выброшенного угля, построенная для серии реальных выбросов в шахтах (при этом каждой точке соответствует один выброс). По оси абсцисс (рис. 2) показана средняя газонасыщенность всех рассмотренных пластов.

Анализ статистики выбросов показывает, что во-первых, практически для всех выбросов, за небольшим исключением, удельный выход газа превышает газоносность угольных пластов. Во-вторых, значительно возрастает удельный выход газа при малых мощностях выброса, т.е. для величин порядка нескольких десятков тонн угля. В этих случаях зафиксированы величины выхода в сотни кубометров газа на тонну угля. В различных исследованиях, в том числе и в замечательной работе [2] объясняется возможная причина выброса угля и газа, однако не раскрывается «спусковой механизм» газодинамического явления. Однозначного объяснения не существует, а следовательно, отсутствуют и эффективные способы предотвращения выбросов.

Между тем, известно, что при любых подземных работах, включая добычу угля, боксита, каменной соли, калийной соли, порфиритов, даже при строительстве метро и т.д., практически всегда могут происходить неожиданные выбросы газа и породы в рабочее пространство. Уголь, песчаники, бокситы, калийные соли и порфириты существенно отличаются по своим физико-механическим свойствам. В то же время, общим для всех взрывоопасных пород и угля являются высокие упругие свойства и наличие газа в порах, трещинах, капиллярах и микрокапиллярах. Следовательно, можно сделать вывод, что физическая природа газодинамических явлений по существу во всех случаях одинакова.

Стало очевидным, что необходим комплексный междисциплинарный подход к газодинамическим явлениям, и рассматривать эти события следует с точки зрения нелинейных физических процессов, в том числе происходящих в угольной залежи.

Ученые, занимающиеся фундаментальными исследованиями в области «теории нелинейных колебаний и устойчивости движений» считают, что физическая сущность нелинейных систем, вне зависимости от того, имеют ли они искусственное происхождение или естественное происхождение, абсолютно одинакова. «Природа по сути своей не линейна», говорит академик РАН Р.Ф. Ганеев. В то же время линейные законы и линейные зависимости хотя и существуют, но они – скорее исключение из правил, чем правило.

В этом случае, исходя из нелинейных физических принципов, любую продуктивную залежь, включая метано-угольную, можно рассматривать как природный, нелинейный, многослойный модуль объемной упругости с комбинацией нелинейных колебаний в широком диапазоне частот, который имеет стационарную круговую (угловую) частоту свободных колебаний, зависящую от начальных условий (размаха возмущения), и возвратную силу, отнесенную к единице массы (угля), равную силе возмущения (если посмотреть внимательно, это третий закон Ньютона с добавлением сил давления и вязкости в его нелинейной форме).

Кроме того, угольная залежь (уголь – вмещающие породы – газ – вода) это неравновесная динамическая диссипативная система, вид и свойства которой определяются самой системой и в которой, при определенных внутренних геомеханических и внешних условиях, может начаться процесс самомодуляции.

Под динамическим материалом понимаются среды, физические параметры которых: плотность, вязкость, упругость, жесткость, электромагнитные и физико-химические свойства – меняются как в пространстве, так и во времени. Это касается двух и более различных сред, которые взаимно проникают одна в другую и совершают относительно друг друга некоторые движения, в частности колебания.

Угольный пласт обладает хорошей акустической проводимостью, поэтому при любых широкополосных возмущениях, на любом этапе строительства и эксплуатации шахт, например при взрывных работах, стационарная круговая (угловая) частота свободных колебаний угольного пласта может захватить наведенную когерентную частоту. Амплитуда колебаний усилится, что ведет к расширению трещин в пласте на участке с большей проницаемостью, где начинает концентрироваться свободный газ и, следовательно, запускается процесс самомодуляции динамической системы. Учитывая, что в этой системе присутствует газовая фаза, при достижении критических значений концентрации свободного газа в какой-либо трещине, неизбежно произойдет выброс метана в рабочее пространство шахты, объем которого может многократно превысить содержание газа в угле.

Таким образом, круговая (угловая) частота свободных колебаний, очевидно, является «спусковым механизмом», который способен запустить процесс самомодудяции газодинамических явлений в любой вышеназванной продуктивной залежи.

С учетом этого возникла идея заблаговременно искусственно стимулировать круговую (угловую) частоту свободных колебаний, синхронизировать динамическую систему и за счет этого создать в угольном пласте развитую сеть микротрещин, чтобы максимально перевести газ в свободное состояние, а затем отобрать его через вертикальные скважины, которые традиционно бурятся в куполе обрушения.

С этой целью была разработана технология плазменно-импульсного широкополосного периодического направленного управляемого воздействия на угольный пласт, которая коренным образом отличается от традиционных технологий, основанных на линейных зависимостях.

Названный способ позволяет искусственно инициировать управляемые периодические широкополосные плазменные импульсы высокого давления через вертикальные скважины для воздействия на неразгруженные и даже разрабатываемые метаноугольные пласты и проницаемые вмещающие породы, которые создают растягивающие и сжимающие напряжения, сопровождаемые выделением пузырей газа, кавитацией, что приводит к созданию сети аномальной микротрещиноватости, увеличению проницаемости и, следовательно, максимальной десорбции и диффузии метана.

Это позволит, как мы считаем, в кратчайшие сроки (за 1,5–2 года) провести дегазацию или довести содержание метана до безопасного уровня в конкретном участке разрабатываемого пласта и в перспективе не только обеспечить безопасную работу шахтеров, но и создать условия для более высокой скорости прохождения угольного комбайна по лаве, а извлеченный метан утилизировать в интересах шахты.

Специалисты нашей компании разработали и применили на практике «идеальный, нелинейный плазменно-импульсный источник направленных, широкополосных, управляемых периодических упругих колебаний», который способен создать нелинейную зависимость между источником колебаний и объектом разработки и заблаговременно инициировать процесс самомодуляции в угольном пласте с тем, чтобы перевести газ в свободное состояние с последующим отбором его через вертикальные скважины.

Комплектность и технические характеристики оборудования представлены на рис. 3.

Практическая сущность нелинейности названного источника заключается в возможности за счет малого расхода энергии в короткий промежуток времени добиться непропорционально большого результата.

Разрабатывая методику воздействия, мы учли, что не разгруженный от горного давления угольный пласт, зажатый вмещающими породами, представляет собой пористую систему, зачастую менее плотную, чем толща пород. Существует взаимозависимость между деформацией угольной матрицы, эффективным напряжением и проницаемостью.

Флюид (вода) пронизывает угольную залежь, его распространение по вертикали контролируется капиллярными и гравитационными силами.

Механическая прочность угля намного ниже, чем у других пород, и он не способен выдерживать высокий градиент воздействия, не разрушаясь. Установлен парадокс, известный как парадокс эффекта П.В. Бриджмена: разрыв связей в угле происходит при снятии напряжения, а не при приложении. В этих условиях уголь разрушается на вафлеподобные пластины.

Угольный пласт, находясь в напряженном состоянии и имея повышенную звукопроводность, обладает свойствами неравновесной, диссипативной передаточной среды, в которой постоянно присутствует природный частотный хаос, поддерживаемый подпиткой внешней энергии (приливы отливы, удаленные землетрясения, взрывные работы на удаленных разрабатываемых площадях).

По электрическим свойствам большинство углей относятся к проводникам и полупроводникам.

Газонасыщенность метаноугольных пластов можно подразделить на 4 составляющих:
- свободный газ, заполняющий поры и трещины – 5–6%;
- газ, адсорбированный на стенках микропор, капилляров и трещин (физическая сорбция и объемное заполнение) – 28–35%;
- газ, находящийся в объеме угля в растворенном виде – 40–50%;
- газ, частично растворенный в пленках воды, при этом, согласно закону Генри, растворимость газа в водных растворах повышается прямо пропорционально давлению с глубиной – 3–8%.

В газоносных пластах основная масса молекул метана распределена в объеме угля, и к системе «метан-уголь» применимо понятие твердого раствора внедрения. Внедрившиеся в раствор молекулы метана занимают не пустоты в кристаллической решетке, а вакансии в твердом теле в соответствии с сорбционной кривой для угольных пластов.

Исследованиями установлено [3], что «существует лишь единственный способ выделения газа – это диффузионный механизм. Для его запуска необходимо, чтобы уголь при разгрузке подвергся диспергированию 10–6» или, как мы считаем, в пластовых условиях приобрел аномальную микротрещиноватость для создания максимальной сети фильтрационных каналов. Концентрация метана в угле упадет в разы, и он перейдет в свободное состояние.

Единственным механизмом, способным привести к дисергированию угля и развитию аномальной сети микротрещиноватости, является взрыв пузырьков газа, вкрапленных в структуру угольного пласта, которые начнут активно выделяться при периодическом направленном широкополосном плазменно-импульсном воздействии, создавая акустическую и гидродинамическую кавитацию, которую можно охарактеризовать как гидроакустическая люминесценция.

Исследования академика РАН А.С. Алексеева показали, что при периодическом воздействии на такую среду она сама начнет формировать ударные импульсы за счет самомодуляции.

Очевидно, что пока единственным устройством, способным запустить этот механизм служит созданный нами «Плазменно-импульсный идеальный, нелинейный, широкополосный источник направленных, управляемых периодических колебаний».

Практически для этого имеются все необходимые геомеханические условия. В частности, согласно эффекту П.А.Ребиндера (1928 г.) «Изменение механических свойств твердых тел, вследствие физико-химических процессов, вызванных уменьшением поверхностной (межфазной) энергии тела, проявляется в снижении прочности и появлении хрупкости, облегчении диспергирования. Для этого необходимы следующие условия: контакт твердого тела с жидкой средой; наличие сжимающих и растягивающих напряжений».

Наличие пузырей газа и кавитация значительно стимулируют эти процессы. Большая часть пузырей захлопывается во время полупериода сжатия, создавая за одну микросекунду давление до 10 тыс. кг/см², которое способно разрушить более прочные материалы, чем уголь.

Испытания на стенде образца угля марки ГЖ, подвергшегося периодическому плазменно-импульсному воздействию (ПИВ), продемонстрировали образование обширной сети микротрещин, которые соединились с природными трещинами в единую сеть. Исследования, проведенные на стенде в лаборатории и при опытно-промышленных работах в России и Китае, в основном подтвердили наши предположения (рис. 4).

При работе в Китае нам удалось воочию наблюдать результат распространения по угольному пласту классических упругих ударных волн, образовавшихся после плазменных импульсов, а также сжимающие и растягивающие напряжения. Суть эксперимента, показанного на рис. 5, заключается в том, что в скважине PS 01 инициировались периодические плазменные импульсы, а в скважине PS 03, находящейся на удалении 200 м, была размещена видеокамера над свободной поверхностью жидкости, уровень которой располагался на отметках 290 м от кровли угольного пласта или 526 м от дневной поверхности.

Постановка ПИВ происходило в скважинах, пробуренных в пласте проницаемостью 0,014 мД, при аномально низком пластовом давлении 3,5 МПа, при глубине пласта 811–816 м. Скважина PS 03 расположена на расстоянии 200 м от центральной скважины РS 01, с источником ПИВ. Газонасыщенность всего 3,62 м³/т.

Цифровая видеокамера четко зафиксировала скорость массопереноса неоднородной среды 3,3 м/с, на расстояние более 200 м, которая много меньше, чем скорость распространения самой ударной волны, а также сжимающиеся и растягивающие напряжения, сопровождаемые активным выделением пузырей газа.

Китайские специалисты в октябре 2013 г. на международной конференции в Чунцине (КНР) зафиксировали успешность эксперимента. Скважина в угольном пласте с аномально низким пластовым давлением и низкой проницаемостью 0,014 мдс после плазменно-импульсного воздействия с «0» стала производить метан в объеме 600 м³/сутки.

Применение технологии плазменно-импульсного воздействия на Талдинской площади (Кузбасс) в апреле 2012 г. через щелевую перфорацию в скважине УМ-5.9, которая два года не давала притока газа, подтвердило увеличение проницаемости после воздействия на шести метаноугольных пластах. Гидростатический уровень со 120 м повысился до 60 м, что соответствовало максимальному гидростатическому давлению, приток воды в скважину увеличился на 50%. Метан стал поступать из верхних горизонтов, что не наблюдалось ранее после гидроразрыва всех пластов.

Механизм образования плазмы

Очевидно, надо пояснить механизм образования плазмы. Источник периодических направленных широкополосных коротких импульсов высокого давления воздействует энергией плазмы, образуемой взрывом калиброванного металлического проводника между электродами скважинного генератора. По своей сути этот источник представляет собой генератор плазменно-импульсного воздействия. Обычно такой источник работает следующим образом. Ток высокого напряжения 3000–5000 В от батареи накопительных конденсаторов подается на электроды, которые замыкаются калиброванным проводником, что приводит к его взрыву и образованию плазмы в замкнутом пространстве.

Во время взрыва происходит освобождение энергии, переходящей в состояние сильно нагретого газа с очень высоким давлением и плотностью, который формирует ударную волну. Ударная волна периодически повторяется и адресно, в заданных точках по вертикали пласта, воздействует с большой силой на окружающую среду, вызывая ее сжатие, продолжающееся до тех пор, пока давление в ударной волне не сравняется с пластовым давлением. После этого начинается процесс растяжения среды в сторону скважины с источником колебания. Весь процесс сопровождается выделением пузырей газа.

Многократное повторение периодических широкополосных коротких импульсов, по всей мощности пласта в среде, имеющей хорошую электропроводность и звукопроводность, вызывает сжимающие и растягивающие напряжения, приводит к развитию сети аномальной микротрещиноватости в пласте, кавитации, тепломассообмену, самомодуляции пласта, что способствует максимальной десорбции метана.

При более проницаемых перекрывающих породах плазменно-импульсное воздействие может проводиться в кровле пласта, поскольку метан диффундирует в более проницаемые породы, при этом его объем может превосходить объем метана в угольном пласте. Проницаемые вмещающие породы ведут себя как нефтегазовый продуктивный коллектор, который не имеет угольной пыли и, следовательно, газоотдача будет максимальной.

Заключение

Универсальная технология плазменно-импульсного воздействия хорошо зарекомендовала себя на низкопроницаемых нефтегазовых коллекторах в России, США, Кувейте и др. странах.

В настоящее время в Пекине зарегистрировано российско-китайское СП, в задачу которого будет входить дегазация угольных пластов. Кроме того в США зарегистрирована одноименная компания, которая уже два года успешно работает на американском нефтяном рынке.

В ноябре 2013 г. на международной конференции в Хьюстоне (США), организованной Хьюстонским технологическим центром, эта технология была отмечена Премией Председателя конференции «За выдающуюся инновацию, отвечающую нынешним и будущим энергетическим вызовам».

ЛИТЕРАТУРА:

1. Розанцев Е.С. Систематизированные данные по внезапным выбросам угля и газа на шахтах восточных и северных месторождений страны. Кемерово, 1973.
2. Аммосов И.И., Еремин И.В. Трещиноватость углей. Издательство АН СССР, Москва, 1960.
3. А.Докукин, А. Айруни, И. Этингер. «Борьба с внезапными выбросами газа и угля в шахтах», Вестник АН СССР, No 12/1984 г. 5 с.44–45.