Способ вытеснения метана из подготовленных угольных пластов (варианты)

Изобретение относится к способам вытеснения метана из подготовленных угольных пластов и может быть использовано в борьбе с парниковыми газами и при предотвращении взрыва шахтного метана. Техническим результатом является аккумулирование и хранение диоксида углерода, как парникового газа, в угольных пластах, а также обеспечение взрывобезопасности добычи угля при шахтном способе. По первому варианту диоксид углерода закачивают в угольный пласт через подающие скважины, а метан из угольного пласта удаляют в смеси с диоксидом углерода через отбирающую скважину до снижения концентрации метана до безопасного уровня - одного процента. После чего отбирающую скважину закрывают и через подающие скважины вновь под давлением закачивают диоксид углерода и выдерживают угольный пласт до замещения метана диоксидом углерода. Вытеснение метана производят периодически парой скважин, состоящей из каждой подающей скважины и отбирающей. По второму варианту диоксид углерода закачивают в угольный пласт через подающую скважину, а метан из угольного пласта удаляют в смеси с диоксидом углерода через отбирающие скважины. При этом вытеснение метана производят периодически парой скважин, состоящей из каждой отбирающей скважины и подающей. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к способам вытеснения метана из подготовленных угольных пластов и может быть использовано в борьбе с парниковыми газами и при предотвращении взрыва шахтного метана.

В соответствии с Киотским соглашением большое внимание уделяется улавливанию и хранению парниковых газов - отходов нефтяной, угольной и газовой промышленности. В настоящее время особое внимание уделяется выбросам в атмосферу парниковых газов: диоксида углерода (СО₂) и метана (СН₄). Фактически проблема состоит из двух этапов - улавливания и хранения парниковых газов. В такой последовательности она и должна решаться.

Из области техники вытеснение метана из угольных пластов с использованием диоксида углерода известно при его добыче. В настоящее время известен ряд способов извлечения метана из угольных пластов скважинами, пробуренными с их поверхности с использованием различных пропантов (Ю.Н.Малышев, К.Н.Трубецкой, А.Т.Айруни. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. М.: Издательство Академии горных наук. 2000 г., с.473-490). Среди них наиболее перспективным с использованием диоксида углерода является бесшахтный способ добычи метана из угольных пластов по технологии канадской фирмы «Фракмастер», при которой под давлением свыше 100 МПа в вертикальные скважины подают массу, состоящую из жидких газов - пропанты (диоксид углерода и азот, их различные смеси) в течение 20 минут (Ю.Н.Малышев, К.Н.Трубецкой, А.Т.Айруни. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. М.: Издательство Академии горных наук. 2000 г., с.490, 491). Данный способ является наиболее близким аналогом, в котором используется диоксид углерода.

Однако в данном способе преследуется другая задача использования СО₂ в качестве одного из компонентов в составе используемых реагентов (пропантов) для увеличения газоотдачи в процессе гидроразрыва, а не для хранения в угольных пластах после замещения им метана. Известный способ может быть применен в зависимости от степени метаноносности угольных пластов, в противном случае он будет нерентабельным.

В основу изобретения положена задача разработать такой способ вытеснения метана из подготовленных угольных пластов, который бы позволил за счет различий (особенностей) в молекулярном строении диоксида углерода и метана, а также различий в энергии их адсорбции, заместить вытесненный метан в подготовленных угольных пластах диоксидом углерода, сохранив его в угольных пластах, утилизировать вытесненный метан и тем самым предотвратить его взрыв при шахтном способе добычи угля.

Задача решается тем, что предлагается способ вытеснения метана из подготовленных угольных пластов, включающий закачивание в угольный пласт диоксида углерода под давлением в течение заданного времени и удаление метана из пласта, характеризующийся тем, что диоксид углерода закачивают в угольный пласт через подающие скважины, метан из угольного пласта удаляют в смеси с диоксидом углерода через отбирающую скважину до снижения концентрации метана до безопасного уровня - одного процента, затем отбирающую скважину закрывают и через подающие скважины вновь под давлением закачивают диоксид углерода и выдерживают угольный пласт до замещения метана диоксидом углерода, при этом вытеснение метана производят периодически парой скважин, состоящей из каждой подающей скважины и отбирающей. Одновременно подающие скважины размещают равномерно вокруг отбирающей скважины.

Второй вариант способа вытеснения метана из подготовленных угольных пластов включает закачивание в угольный пласт диоксида углерода под давлением в течение заданного времени и удаление метана из пласта, характеризующийся тем, что диоксид углерода закачивают в угольный пласт через подающую скважину, метан из угольного пласта удаляют в смеси с диоксидом углерода через отбирающие скважины до снижения концентрации метана до безопасного уровня - одного процента, затем отбирающие скважины закрывают и через подающую скважину вновь под давлением закачивают диоксид углерода и выдерживают угольный пласт до замещения метана диоксидом углерода, при этом вытеснение метана производят периодически парой скважин, состоящей из каждой отбирающей скважины и подающей. Одновременно отбирающие скважины размещают равномерно вокруг подающей скважины.

Варианты расположения подающих скважин относительно отбирающей скважины и отбирающих скважин относительно подающей скважины позволяют повысить эффективность вытеснения метана и замещения его диоксидом углерода с учетом подготовки шахтного поля.

Заявленные варианты способа вытеснения метана из подготовленных угольных пластов основываются на следующем. Молекула CO₂ имеет меньший размер, чем молекула CH₄. Согласно рентгеноструктурным данным молекула СО₂ линейная и длина ее составляет 2,32 Е, тогда как молекула CH₄ имеет «сферическую» структуру с диаметром, равным 2,22 Е. Следовательно, диффузионная способность проникновения в угольные пласты у молекул диоксида углерода должна быть выше, чем у молекул метана. Следующим важным фактором является разница в энергиях адсорбции указанных газов. Естественно предположить, что из пластов легче будет вытесняться тот газ, у которого энергия адсорбции меньше. Оценка энергии адсорбции молекул диоксида углерода и метана в порах (поверхностях, трещинах и т.д.) угольных пластов проведена по известной модели органической массы угля, предложенной Шинном. Модель содержит основные структурные единицы органической массы угля и включает атомы С, Н, N, О, и S. Проведенные расчеты по методу молекулярной механики показывают, что энергия адсорбции диоксида углерода в угольных пластах должна быть примерно в два раза больше, чем метана.

Приведенные доводы и расчеты доказывают осуществимость заявленного способа, особенностью которого является то, что впервые предложена технология аккумулирования парникового газа - диоксида углерода в подготовленных угольных пластах за счет вытеснения и замещения им метана.

Использование диоксида углерода для замещения им метана по заявленному способу позволяет предотвратить взрыв метана при шахтном способе добычи угля за счет того, что при достижении зоны выделения газа вместо метана в этой зоне окажется диоксид углерода, который инертен (не горит и не взрывоопасен) и тяжелее воздуха, а потому будет собираться в нижней части выработки.

Отличительной особенностью изобретения является закачивание диоксида углерода в угольный пласт через подающие (отбирающие) скважины, метан из угольного пласта удаляют в смеси с диоксидом углерода через отбирающую (подающую) скважину до снижения концентрации метана до безопасного уровня - одного процента, затем отбирающую (подающую) скважину закрывают и через подающие (отбирающие) скважины вновь под давлением закачивают диоксид углерода и выдерживают угольный пласт до замещения метана диоксидом углерода. При этом вытеснение метана производят периодически парой скважин, состоящей из каждой подающей (отбирающей) скважины и отбирающей (подающей) скважины.

Выбор вариантов осуществления способа зависит от подготовленности шахтного поля. При проведении процесса вытеснения метана из подготовленных угольных пластов несколькими парами он может быть непрерывным.

Практическое осуществление способа сводится к следующему. Выбирается подготовленный для извлечения метана угольный пласт (шахтное поле). Затем бурятся или используются готовые скважины: подающие - для закачивания в них диоксида углерода и отбирающие скважины - для извлечения метана, которые формируются в пары в зависимости от условий и подготовленности угольного пласта (шахтного поля).

По первому варианту. Диоксид углерода закачивают в подающие скважины и выдерживают пласт угля под давлением в течение времени, необходимого для замещения метана диоксидом углерода. Наличие метана определяют экспериментально анализом газа.

Из угольного пласта удаляют метан в смеси с диоксидом углерода через отбирающую скважину до снижения концентрации метана до безопасного уровня - одного процента. После чего отбирающую скважину закрывают и через подающие скважины вновь под давлением закачивают диоксид углерода и выдерживают угольный пласт до замещения метана диоксидом углерода.

По второму варианту. Диоксид углерода закачивают в подающую скважину и выдерживают пласт угля под давлением в течение времени, необходимого для замещения метана диоксидом углерода. Наличие метана определяют также экспериментально анализом газа.

Затем из угольного пласта удаляют метан в смеси с диоксидом углерода через отбирающие скважины до снижения концентрации метана до безопасного уровня - одного процента. После чего отбирающие скважины закрывают и через подающую скважину вновь под давлением закачивают диоксид углерода и выдерживают угольный пласт до замещения метана диоксидом углерода.

Использование изобретения позволяет решить проблему аккумулирования и хранения диоксида углерода, как парникового газа, в угольных пластах, а также обеспечить взрывобезопасность добычи угля при шахтном способе.

Так как аналоги не содержат сведений о замещении метана диоксидом углерода и его хранении (аккумулировании) в угольном пласте, включенных в родовое понятие, пункты формулы изобретения изложены без разделения на ограничительную и отличительную части.

1. Способ вытеснения метана из подготовленных угольных пластов, включающий закачивание в угольный пласт диоксида углерода под давлением в течение заданного времени и удаление метана из пласта, характеризующийся тем, что диоксид углерода закачивают в угольный пласт через подающие скважины, метан из угольного пласта удаляют в смеси с диоксидом углерода через отбирающую скважину до снижения концентрации метана до безопасного уровня - одного процента, затем отбирающую скважину закрывают и через подающие скважины вновь под давлением закачивают диоксид углерода и выдерживают угольный пласт до замещения метана диоксидом углерода, при этом вытеснение метана производят периодически парой скважин, состоящей из каждой подающей скважины и отбирающей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подающие скважины размещают равномерно вокруг отбирающей скважины.

3. Способ вытеснения метана из подготовленных угольных пластов, включающий закачивание в угольный пласт диоксида углерода под давлением в течение заданного времени и удаление метана из пласта, характеризующийся тем, что диоксид углерода закачивают в угольный пласт через подающую скважину, метан из угольного пласта удаляют в смеси с диоксидом углерода через отбирающие скважины до снижения концентрации метана до безопасного уровня - одного процента, затем отбирающие скважины закрывают и через подающую скважину вновь под давлением закачивают диоксид углерода и выдерживают угольный пласт до замещения метана диоксидом углерода, при этом вытеснение метана производят периодически парой скважин, состоящей из каждой отбирающей скважины и подающей.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что отбирающие скважины размещают равномерно вокруг подающей скважины.