Способ извлечения метана из пластов угольных месторождений

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной разработке выбросоопасных и газоносных угольных пластов. Техническим результатом является повышение эффективности дегазации угольных пластов за счет обеспечения полноты извлечения метана из всего объема геодинамических блоков, вмещающих углесодержащую газоносную толщу. Для этого после извлечения метана из зон растяжения, приуроченных к границам блоков, дополнительно бурят скважины в массив геодинамических блоков. Производят гидроразрыв и их сбойку со скважинами, пробуренными в зонах растяжения. Причем гидроразрыв осуществляют жидкостью, включающей кислородосодержащие реагенты. Затем повышают температуру в скважинах до уровня выделения кислорода из кислородосодержащих растворов и инициируют процесс окисления угольного вещества, а продукты окисления и выделяющийся метан извлекают по ранее пробуренным скважинам в зонах растяжения. Для максимального раскрытия трещин гидроразрыва после прогрева углесодержащей толщи в них нагнетают растворы кислот. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при подземной разработке выбросоопасных и газоносных угольных пластов.

Известен способ извлечения метана из угольных пластов с использованием геологоразведочных скважин или скважин, специально пробуренных с поверхности (см. Сластунов С.В. «Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений», М., изд-во МГГУ, 1996 г., стр.14-19). Согласно этому способу бурят скважины до газоносного угольного пласта, обсаживают их, затрубное пространство тампонируют. В скважины нагнетают воздух и воду под давлением гидроразрыва, то есть производят пневмогидровоздействие. Затем рабочую жидкость удаляют из пласта, а скважины подключают к вакуумному насосу. Способ характеризуется большим объемом подготовительных работ, локальной (неполной) дегазацией метана по объему и площади газоносной толщи из-за отсутствия учета геологических, геомеханических и геодинамических неоднородностей залегания пласта.

Известен способ подземной газификации угля по патенту РФ №2034139, МПК Е21В 43/295, опубл. 30.04.1995 г., согласно которому газообразное топливо получают после установления тектонических разрывных нарушений, размывов, выклиниваний и участков с высокой зольностью, вдоль границ которых бурят скважины, нагнетают в них кислородосодержащие вещества (пересыщенные растворы селитры) и газифицируют их.

Однако этот способ пригоден для получения лишь низкокалорийного газа и мало эффективен для реализации в комплексе с традиционной шахтной разработкой угля из-за наличия открытого пламени.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ извлечения метана из угольных пластов по патенту РФ №2136850, МПК Е21В 43/00, 43/30, опубл. 10.09.1999 г., включающий предварительное определение контуров геодинамических блоков как участков с однородным геологическим строением, бурение скважин с земной поверхности на газоносный угольный пласт в зонах растяжения, приуроченных к границам блоков, подключение их к вакуумному трубопроводу и отбор метана.

Однако данный способ также оказывается недостаточно эффективным, поскольку извлечение метана ограничивается только зонами растяжения, то есть разгруженными от горного давления зонами, а массивы геодинамических блоков оказываются вовлеченными в дегазацию лишь частично, в приконтурных областях.

Заявленное изобретение - способ извлечения метана из пластов угольных месторождений - решает задачу повышения эффективности дегазации угольных пластов за счет обеспечения полноты извлечения метана из всего объема геодинамических блоков, вмещающих углесодержащую газоносную толщу.

Технический результат при реализации этого способа достигается тем, что после извлечения метана из зон растяжения, приуроченных к границам геодинамических блоков, дополнительно бурят скважины в массив геодинамических блоков, производят в них гидроразрыв и «сбивают» их со скважинами, пробуренными в зонах растяжения, причем гидроразрыв осуществляют жидкостью, включающей кислородосодержащие реагенты, затем повышают температуру в скважинах до уровня выделения кислорода из кислородосодержащих растворов и инициируют процесс окисления угольного вещества, а продукты окисления и выделяющийся метан извлекают по ранее пробуренным скважинам в зонах растяжения.

При этом для повышения температуры в скважину опускают скважинный нагреватель, а в качестве жидкости для гидроразрыва используют растворы перекиси водорода или пересыщенные растворы селитры, или пересыщенные растворы хлоратов или фторатов.

Для максимального раскрытия трещин, образовавшихся в результате гидроразрыва, после прогрева углесодержащей толщи в трещины нагнетают растворы кислот, например, соляной или уксусной, или муравьиной.

Кроме того, скважины из массивов геодинамических блоков бурят с их выполаживанием по газоносному угольному пласту в направлении скважин, пробуренных в зонах растяжения, до достижения их фильтрующей зоны.

Сущность заявленного способа заключается прежде всего в том, что углесодержащие газоносные пласты подвергают воздействию не только гидроразрыва, но и дополнительного прогревания путем розжига и частичного окисления (горения) угольного вещества благодаря выделению кислорода из кислородосодержащих растворов. Такая комплексная обработка пластов приводит к более полному извлечению метана из газоносных угольных массивов за счет вовлечения в процесс дегазации адсорбированного метана, а также увеличения проницаемости массива вследствие теплового релаксирования напряжений и раскрытия дренирующих трещин.

Известно, что объемы метана, находящегося в свободном состоянии в угленосной толще, редко превосходят 15% от ресурсных запасов. Основные объемы метана сосредоточены в адсорбированном состоянии в порах и микротрещинах. Вместе с тем одним из методов извлечения «связанного» адсорбированного метана является повышение его температуры (см., например, А.Н.Шабаров, Е.В.Гончаров, Т.И.Лазаревич, С.С.Золотых «Прогнозирование областей высокой метаноотдачи и технология извлечения газа на основе геодинамического районирования недр», ФТРПИ, №1 (январь-февраль), 2003, стр.48-54.

С другой стороны, проведенными исследованиями установлено, что при гидроразрыве трещины разрыва распространяются из зон повышенного горного давления, то есть из массива геодинамических блоков, в области пониженных напряжений, то есть в области «растяжений» на контурах блоков. Поэтому для наиболее полного извлечения метана из угольных пластов предложено провести геодинамическое районирование, установить границы блоков, провести гидроразрыв в скважинах, пробуренных в массивах геодинамических блоков, «сбить» эти скважины с областями высокой фильтрации, проходящими вдоль границ блоков, и тем самым осуществить гидродинамическую связь с добычными скважинами. А для увеличения объемов извлечения метана и разгрузки от высокого горного давления необходимо повысить температуру углесодержащего газоносного массива, что и достигается нагнетанием кислородосодержащих реагентов в жидкость гидроразрыва и разжиганием (частичным окислением) угольного вещества. Данный способ предусматривает сочетание минимальных скоростей устойчивого горения применяемого горючего состава (20-40 мм/с), максимального времени горения (окисления, от нескольких часов до суток), большого количества выделяемых газов (800-1000 м³/кг смеси и более) и высокой теплоотдачей (300-500 ккал/кг смеси). При указанных выше энергетических параметрах создаются условия для постепенного роста давления, вскрытия трещин, выделении из них метана и отжатия его к дренирующим зонам у скважин, пробуренных в благоприятных для его отбора условиях. При осуществлении заявленного способа удается обойтись без больших объемов рабочего тела (жидкости гидроразрыва) за счет более производительного использования энергии.

После термохимической обработки угленосного массива создают условия для дополнительной обработки, например, растворами кислот и/или их смесями, которые, благодаря повышенной температуре массива, действуют с максимальной эффективностью.

Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 показан разрез угленосной толщи; на фиг.2 - размещение скважин в плане. На чертежах обозначены: 1 - геодинамические блоки; 2 - зоны растяжения, приуроченные к границам блоков 1, включая фильтрующие зоны 6; 3 - скважины, пробуренные в зонах растяжения 2, из которых осуществляют первоочередной отбор метана; 4 - скважины, пробуренные в угленосные массивы геодинамических блоков, нагнетательные скважины; 5 - трещины гидроразрыва, направленные в сторону границ геодинамических блоков; 6 - фильтрующие зоны; 7 - нижняя часть нагнетательных скважин; 8 - газоносный угольный пласт; 9 - скважинный термоизлучатель, инициирующий начальные условия нагревания и экзотермические реакции выделяющегося кислорода и угольного вещества.

Способ осуществляют следующим образом.

По данным геодинамического районирования и анализу геологических исследований определяют контуры геодинамических блоков 1 на угленосном месторождении, предназначенном для извлечения метана, и выделяют зоны растяжения 2, проходящие вдоль границ блоков 1, наиболее разгруженные от горного давления и имеющие наиболее высокие фильтрующие свойства. В этих зонах 2 пробуривают скважины 3 до пересечения с газоносным угольным пластом, подключают их к вакуумному трубопроводу (на чертеже не показан) и производят отбор метана до прекращения его поступления (фильтрации). Затем пробуривают скважины 4 в массиве геодинамических блоков 1 и нагнетают в них жидкость до осуществления гидроразрыва, в результате чего образовавшиеся трещины 5 «сбивают» (связывают) скважины 4 с зонами влияния ранее пробуренных на границах блоков 1 скважин 3 - с фильтрующими зонами 6. При значительном (более 100 метров) удалении скважин 4 от зон растяжения 2 их нижнюю часть 7 выполаживают вдоль газоносного угольного пласта 8 в направлении скважин 3 до достижения их фильтрующей зоны 6.

В качестве жидкости для гидроразрыва используют растворы, включающие кислородосодержащие реагенты, например перекись водорода, насыщенные растворы селитры (нитрата аммония), хлоратов, фторатов и т.п.

В частности, в качестве жидкости гидроразрыва может быть использован насыщенный раствор селитры, например, марки «Б» по ГОСТ 2-8572, либо 25-30% раствор перекиси водорода, либо пересыщенные растворы хлоратов или фторатов. Составы на основе нитрата аммония разлагаются при температуре 110-140°С с образованием NO₂, NO, N₂, О₂ и выделением теплоты до 40 ккал/моль. Перекись водорода легко разлагается на воду и кислород. Углеродосодержащими веществами являются уголь собственных пластов, а также органические (углеводородные) кислоты, например муравьиная (НСООН) или уксусная (СН₃СООН) или их смеси. Начальная температура реакции обеспечивается либо скважинным нагревателем, либо реакцией метана и соляной кислоты. Использование скважинного нагревателя какой-либо конструкции, например термоизлучателя, предпочтительнее, поскольку позволяет регулировать температуру нагрева.

Нагнетание жидкости гидроразрыва проводят до ее появления на забое скважин 3. Затем в скважины 4 опускают на геофизическом кабеле скважинные термоизлучатели 9, производят их включение и инициируют окислительную реакцию угольного вещества с кислородом, выделяющимся из жидкости гидроразрыва с содержащимися в ней кислородосодержащими реагентами. Из скважин 3 осуществляют отбор газовой смеси метана с продуктами окисления.

При наличии кольматирующих минералов в угольном пласте, таких как известняки, глины и тому подобных, для максимального раскрытия трещин гидроразрыва после прогрева углесодержащей толщи в трещины нагнетают растворы кислот, например соляной, фтористоводородной или ряда органических (муравьиной, уксусной и других). Органические кислоты разлагаются с выделением окиси и двуокиси углерода, успешно вытесняющих метан из трещин и пор.

Операции повторяют до отбора расчетного объема метана из дегазируемых углесодержащих блоков.

Реализация заявленного способа позволяет осуществлять более полное извлечение метана из газоносных и выбросоопасных углесодержащих массивов путем вовлечения в процесс дегазации адсорбированного метана и увеличения проницаемости массива, что в конечном счете приводит к повышению эффективности дегазации угольных пластов.

1. Способ извлечения метана из пластов угольных месторождений, включающий предварительное определение геодинамических блоков как участков с однородным геологическим строением, бурение скважин с земной поверхности на газоносную углесодержащую толщу в зонах растяжения, приуроченных к границам блоков, подключение их к вакуумному трубопроводу и откачку метана, отличающийся тем, что после извлечения метана из зон растяжения, приуроченных к границам блоков, дополнительно бурят скважины в массив геодинамических блоков, производят гидроразрыв и их сбойку со скважинами, пробуренными в зонах растяжения, причем гидроразрыв осуществляют жидкостью, включающей кислородосодержащие реагенты, затем повышают температуру в скважинах до уровня выделения кислорода из кислородосодержащих растворов и инициируют процесс окисления угольного вещества, а продукты окисления и выделяющийся метан извлекают по ранее пробуренным скважинам в зонах растяжения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для повышения температуры в скважине до уровня выделения кислорода используют скважинный нагреватель.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости для гидроразрыва используют растворы перекиси водорода, или пересыщенные растворы селитры, или пересыщенные растворы хлоратов или фторатов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для максимального раскрытия трещин гидроразрыва после прогрева углесодержащей толщи в них нагнетают растворы кислот.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что скважины из массивов геодинамических блоков бурят с их выполаживанием по газоносному угольному пласту в направлении скважин, пробуренных в зонах растяжения, до достижения их фильтрующей зоны.