Интенсификация добычи метана на метаноугольных месторождениях путем проведения горизонтальных скважин и вибросейсмического воздействи

Сразу после  повторного «завершения» (интенсификации) методом кавернообразования («кавитации») кратковременно дебиты метана в скважинах резко возросли и колебались в широких пределах: от 20-60 тыс.м³/сут. до 300-370 тыс.м³/сут., а в двух скважинах (№ 404 R и 421 R) достигали даже 640 тыс.м³/сут. Затем после относительной стабилизации дебиты семи скважин в январе 1992 года достигали 100-150 тыс.м³/сут., а только в трех были равны 40-80 тыс.м³/сут.

Благодаря удаче  в бассейне Сан Хуан, были предприняты  попытки применить "динамические завершения" необсаженного ствола скважины в других бассейнах, включая Piceance, PowderRiver, Аркому, Юинту и БлэкУорриор, но в этих бассейнах применение этой технологии не увенчалось успехом [4,5].

Анализ горно-геологических  условий, в которых наиболее эффективна технология «open-holecavitycompletion» показывает, что обязательными условиями для этого являются [4,5]:

• аномально высокое пластовое давление флюидов,
• высокая газоносность пластов (более 15 м³/т), при полном газонасыщении,
• витринитовый петрографический состав углей (80-90%),
• мощные угольные пласты (более 10-12м),
• средняя стадия метаморфизма углей (Ro 0,75-1,1),
• низкая зольность углей (10-15%).

Интенсификация газоотдачи пластов с помощью горизонтальных и наклонно-направленных скважин

Добыча метана из угольных пластов с использованием наклонно-направленных и горизонтальных скважин получила наибольшее распространение в Австралии, где при проводке наклонно-направленных и горизонтальных скважин, пробуренных по продуктивному пласту, наиболее часто используют технологии МRD и ТRD.

Технология  МRD (MediumRadiusDrilling), разработанная австралийской компанией «MitchellDrillingCo.», представляет собой технологию бурения скважин со средним радиусом искривления получила достаточно широкое распространение, т.к. ограничений для ее применения достаточно мало и она весьма перспективна с коммерческой точки зрения. Особенность технологии МRD заключается в необходимости строительства основной вертикальной скважины, с которой должны пересекаться стволы одной или нескольких наклонно-направленных (или горизонтальных) скважин.

В случае строительства  метаноугольных скважин по технологии МRD сначала строится основная вертикальная скважина. Ствол вертикальной скважины обсаживается до кровли продуктивного угольного пласта. В интервале залегания газоносного угольного пласта ствол скважины расширяется до ø450-600 мм. В интервале расширения ствола вертикальной скважины в некоторых случаях размещают электромагнитный источник, который используют в качестве «навигационного маяка» при проводке ствола наклонно-направленной скважины. За счет этого повышается вероятность пересечения стволов вертикальной и наклонно-направленной скважин в интервале расширения.

Длина необсаженного зумпфа основной скважины для размещения погружного насоса ниже нижнего продуктивного пласта составляет, как правило, не менее 50 м.

Наклонно-направленная (или горизонтальная) скважина забуривается на расчетном  расстоянии от точки  заложения вертикальной скважины. Сначала  ствол скважины бурится вертикально, затем он искривляется по выбранному радиусу и азимуту, вскрывает  продуктивный угольный пласт. Дальнейшая траектория ствола проходит по продуктивному пласту до пересечения с уже пробуренным и дополнительно расширенным стволом основной вертикальной скважины.

Ствол наклонно-направленной скважины обсаживается и цементируется  до кровли продуктивного угольного  пласта. Интервал ствола скважины, проходящий по продуктивному угольному пласту, оставляют необсаженным, либо обсаживают перфорированной колонной.

Вертикальная  скважина может одновременно пересекаться как с одной, так и с несколькими  наклонно-направленными скважинами.

Погружной насос  для откачки пластовой воды спускают на колонне насосно-компрессорных  труб (НКТ) в ствол вертикальной скважины и размещают в зумпфе. Откачка пластовой воды из ствола скважины позволяет снизить гидростатическое давление в газоносном угольном пласте до величины, при котором происходит десорбция находящегося в угле метана.

Выделяющийся  из продуктивного угольного пласта метан отбирается по затрубному пространству основной вертикальной скважины, и одновременно по  стволам наклонно-направленных скважин.

Отечественные технические средства, а также  опыт строительства наклонно-направленных и горизонтальных  нефтегазовых скважин со средним (100-250 м) радиусом искривления ствола позволяют осуществить  бурение экспериментальных метаноугольных скважин по технологии МRD в горно-геологических условиях  Кузбасса.

 

Интенсификация  газоотдачи путем инъекции в угольные пласты диоксида углерода и азота

Технология  по добыче метана из угольных пластов  с искусственным поддержанием энергии пласта (ECBM), разработанная Amoco, Meridian и другими компаниями, имеет возможность резко увеличить коэффициент извлечение газа.

Инъекция  азота или диоксида углерода в  угольные пласты понижает  парциальное  давление адсорбированного метана, ускоряя  десорбцию и добычу метана, и в  то же время, поддерживая общее давление в коллекторе. Лабораторные тесты, показывают, что может быть извлечено вплоть до 90% от первоначального количества газа в недрах (в угольных пластах), что значительно выше, чем 30-70% обычно добываемых с традиционным снижением давления в коллекторе.

Одним из критических  требований к рентабельной добыче с  применением данной технологии являются поставки азота и СО₂ низкой стоимости. Находящийся в природных условиях под высоким давлением СО₂, добываемый из подземных коллекторов, вероятнее всего обеспечит низко-стоимостные поставки СО₂ для его инъекции при проведении технологии ЕСВМ. Регион Скалистых Гор содержит большие доказанные запасы СО₂. Месторождение McElmoDome, принадлежащее компании Shell, в юго-западной части Колорадо, является самым крупным разрабатываемым месторождением, которое содержит 283,2 млрд.м³ доказанных запасов очень чистого (98%) СО₂.

Нагнетательные  скважины, предназначенные для введения СО₂ требуют значительных капитальных инвестиций при применении технологии (СО₂-ЕСВМ). Проект на площади Аллисон показывает, что истощенные скважины, ранее добывавшие метан, могут быть использованы как инъекционные без необходимости затрат на повторное завершение скважин или изменение конфигурации забоя скважин.

В будущем  установки по инъекции СО₂ (как источника добычи метана при применении технологии ЕСВМ) могут быть квалифицированы как объекты для получения налоговых и иных льгот.

Полевые испытания  азотного ЕСВМ [метода увеличения добычи  (извлечения) метана с использованием азота в бассейне Сан Хуан продемонстрировали, что эта новая технология может иметь значительный коммерческий потенциал [7,8].

 

  1.4 Выводы, цель и задачи исследования

 

Итак, высказана  идея, разработан и теоретически обоснован  механизм использования горизонтальных скважин и вибрационного воздействия на газоносный низкопроницаемый угольный массив при знакопеременном давлении с целью интенсификации процесса раскрытия пластовых трещин,   приводящего к увеличению приемистости массива, и углубления дегазации. Поэтому, заблаговременная дегазация угольного массива с использованием вибрационного воздействия должна быть элементом общей технологии подготовки месторождения к безопасной и эффективной выемке.

Цель дипломной работы – разработать  метод интенсификации добычи метана на основе вибросейсмического воздействия на блоковые структуры угольных массивов и бурения горизонтальных скважин по пластам.

Задачи:

• построение карт блоковых структур на Талдинском месторождении
• выявить блоковые структуры на Талдинском метаноугольном месторождении и рассчитать собственные частоты их колебаний
• определить дополнительное газовыделение метана из угольных пластов в горизонтальных скважинах при вибросейсмическом воздействии на блоковые структуры, включающих в себя метаноносные угольные пласты.

 

 

 

 

2 Газовыделение из угольных пластов на основе комбинированного метода, включающего в себя воздействие на пласт вибросейсмическими источниками и проведение горизонтальных скважин

2.1 Основные  термины, физические величины и их размерности

 

- газосодержание углей м³/м³;

- объем сорбированного угля м³;

- объем свободного газа м³;

Р - давление газа, Па;

- предельное газосодержание сорбированного газа при высоких давлениях;

а - продольный и поперечный размеры блока, м;

Н - высота блока, м;

- максимальное смещение блока  при резонансных колебаниях, м;

α - угол падения пластов в свите, расположенных в пределах блока;

- суммарная мощность угольных  пластов в свите, попадающих  в рассматриваемый блок, м;

=0.85 - статический коэффициент трения  ;

 ρ - плотность горной породы, кг/м³; 

   = 1000 кг/м³ – плотность воды;

= 9,8 м/с²; а – размер блока по горизонтали;

 

Н – глубина (размер блока по вертикали), м;

- отклонение от положения  статического равновесия, м;

         в - коэффициент вязкого сопротивления на границах блока (коэффициент

затухания), с^-1;

- собственная частота колебаний блока, с^-1;

- коэффициент жёсткости пород основания, Н/м,

Е - модуль Юнга пород блока, Па.

 

2.2 Использование вибросейсмического метода инициирования газовыделения из нетронутых угольных пластов

 

Газосодержание углей определяется двумя составляющими – объемом сорбированного угля  в единице объёма угля и объёмом свободного газа , содержащегося в полостях, трещинах и порах:

 

, м³/м³.                                    (2.1)

 

 

Объем сорбированного газа определяется законом Ленгмюра:

 

,                                            (2.2)

 

где Р – давление газа, Н/м²; - предельное газосодержание сорбированного газа при высоких давлениях.

При резонансных  колебаниях блоковых структур дополнительное газовыделение может быть связано с диплатацией пород блока, раскрытием трещин и пор, вызванных относительным изменением объёма блока, а также образованием новых трещин. Относительное изменение блокаравно:

,                                         (2.3)

 

где а – продольный и поперечный размеры блока, м; Н – высота блока, м; - максимальное смещение блока при резонансных колебаниях, м.

Дополнительное максимальное газовыделение, обусловленное переходом газа из сорбированного состояния в свободное, определяется по формуле:

 

, м³/м³.                                      (2.4)

Следовательно, максимальный дополнительный объём  газа Q , который переходит в свободное состояние при резонансных колебаниях блока можно оценить следующим образом:

 

,м³,                                     (2.5)

 

где α –  угол падения пластов в свите, расположенных в пределах блока; - суммарная мощность угольных пластов в свите, попадающих в рассматриваемый блок, м.

Суммарная сила трения на границах разломов, оконтуривающих блок рассчитывается следующим образом:

 

,                                   (2.6)

где   =0.85 – статический коэффициент трения  ; ρ – плотность горной породы, кг/м³;      = 1000 кг/м³ – плотность воды;   = 9,8 м/с²; а – размер блока по горизонтали; Н – глубина (размер блока по вертикали), м.

Максимальная  сила, приложенная к блоку со стороны  виброисточника, способная сдвинуть блок по разломам определяется по формуле:

 

,                           (2.7)

 

Вынужденные колебания блока под действием  вибросейсмического источника описываются уравнением:

 

,                                  (2.8)

 

где - отклонение от положения статического равновесия, м; в – коэффициент вязкого сопротивления на границах блока (коэффициент затухания), с^-1; ω – частота вибросейсмического источника, с^-1; - собственная частота колебаний блока, с^-1; – коэффициент жёсткости пород основания, Н/м, Е – модуль Юнга пород блока, Па; . При резонансных колебаниях .

Поскольку масса  блока равна  , то амплитуда может быть определена из выражения:

 

.                                (2.9)

 

Из выше перечисленных  уравнений получаем максимальное дополнительное газовыделение:

 

, м³  .                          (2.10)

 

 

2.3  Вибрационное воздействие на угольные пласты как метод интенсификации добычи метана

 

2.3.1 Волновое воздействие на  пласт

 

Увеличение  метановыделения из газоносного низкопроницаемого угольного пласта может быть достигнуто в процессе механодеструкции угля при создании большой системы трещин в массиве. Важную роль здесь могут играть также динамические процессы, например, вибрация.

 На данном  этапе развития методов  воздействия  на угленосную толщу с практической  точки зрения целесообразно применять  для интенсификации метаноотдачи из угля вибрационное воздействие на газоносный низкопроницаемый угольный массив через скважины, пробуренные с дневной поверхности.

В настоящее  время все более актуальной становится решение проблемы эффективного воздействия  на состояние системы «сорбированный метан — уголь» для увеличения метаноотдачи из угля. В связи с этим одними из перспективных методов активного воздействия является использование низкочастотных вибрационных колебаний. Для оптимизации режима вибрационного воздействия на угольный пласт и расчета зоны охвата необходимы детальное исследование механизмов влияния энергии волны на систему «сорбированный метан — уголь», а также характерных особенностей полипного процесса в геологических средах.