Интенсификация газоотдачи угольных пластов



Предыдущая | Следующая

 

 

Интенсификация газоотдачи угольных пластов на основе регулирования их напряженно-деформированного состояния1 Обзор результатов исследований напряженно-деформированного состояния массивов горных пород при разработке нефтяных и газовых месторождений [1] позволил установить закономерности, которые необходимо учитывать при решении проблемы освоения метано-угольных месторождений по промышленной добыче газа из угольных пластов. Прежде всего, следует отметить, что Во-первых, низкопроницаемые коллекторы весьма чувствительны к деформации системы «продуктивный пласт — вмещающие породы». В результате исследований таких коллекторов было установлено, что их характеристики определяются как свойствами твердого скелета и насыщающего коллектор флюида, так и их взаимодействием. При этом протекающие геодинамические процессы в указанных при нарушении равновесия массивов горных пород, являющемся следствием извлечения углеводородов, происходит деформирование как продуктивных пластов (коллекторов), так и окружающих горных пород. Указанные деформации могут иметь весьма разнообразный характер: упругий, упругопластический, дилатаксионный и др. При этом обращает на себя внимание схожесть качественной картины деформирования массивов горных пород при разработке нефтяных и газовых месторождений и при разработке угольных месторождений. Вторая важная закономерность — деформируемость продуктивных пластов, вмещающих углеводороды, и тесная взаимосвязь и взаимозависимость напряженно-деформируемого состояния пласта-коллектора и вмещающих горных пород, которые необходимо рассматривать как единую систему. Эта закономерность проявляется и при деформировании углевмещающей толщи от выемки угольных пластов, причем особо наглядно она выражается при разработке свиты угольных пластов. Важным фактором, характеризующим картину изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород при разработке нефтяных и газовых месторождений, являются следующие последствия этих процессов: просадки земной поверхности, разрушения обсадных колонн скважин, изменения коллекторских свойств продуктивных пластов и их газо- (нефте-) отдачи, техногенные землетрясения. При разработке угольных месторождений имеют место аналогичные процессы, проявляющиеся, в частности, в деформировании (а порой и разрушении) крепи вертикальных стволов шахт и обделки технических скважин; изменении свойств и газодинамических характеристик поди надрабатываемых высокогазоносных угольных пластов; при внезапных выбросах угля и газа, горных ударах, динамических осадках кровли и т. п. Особый интерес, с точки зрения решения проблемы освоения метаноугольных месторождений по добыче газа, представляют особенности геомеханических процессов при разработке газовых месторождений с низкопроницаемыми коллекторами. Проведенный обзор исследований строения, свойств и напряженно-деформируемого состояния массивов горных пород, вмещающих углеводороды, позволил выявить специфические особенности низкопроницаемых коллекторов, к которым можно отнести и угольные пласты [2,3]. Во-первых, низкопроницаемые коллекторы весьма чувствительны к деформации системы «продуктивный пласт — вмещающие породы». В результате исследований таких коллекторов было установлено, что их характеристики определяются как свойствами твердого скелета и насыщающего коллектор флюида, так и их взаимодействием. При этом протекающие геодинамические процессы в указанных коллекторах могут вызвать нарушение сплошности продуктивного пласта, образование и развитие микротрещиноватости и, как следствие, увеличение его проницаемости. Во-вторых, низкопроницаемые коллекторы, как правило, представлены неоднородными горными породами, для которых выявлен аномальный характер изменения проницаемости при их деформировании. Неоднородность строения таких коллекторов является причиной возникновения так называемых «структурных» напряжений, играющих важную роль в образовании трещиноватости в породах, слагающих продуктивный пласт. В-третьих, было установлено, что низкопроницаемые коллекторы характеризуются специфическими особенностями фазовых взаимодействий между породами продуктивного пласта и насыщающих их флюидов. При этом характер изменения пластового давления в условиях микронеоднородного пласта будет определять различные изменения фильтрационно-емкостных свойств пластаколлектора. Это позволяет говорить о целесообразности проведения исследований по созданию геодинамических способов интенсификации внутрипластовых перетоков флюидов (вода, газ). Опыт промышленной добычи угольного метана в США и данные экспериментов, проводившихся в России, свидетельствуют, что при извлечении флюидов из скважин и прилегающих к ним горных пород происходит изменение напряженно-деформированного состояния углевмещающей толщи и коллекторских свойств угольного пласта, выражающихся, в частности, в существенном увеличении замеренной проницаемости угольных пластов в сравнении с расчетной, а также в обеспечении в большинстве случаев весьма длительного функционирования добычных скважин [4]. Изложенное свидетельствует, что без знания закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния горного массива при извлечении газа из угольных пластов эффективное освоение метано-угольных месторождений по промышленной добыче угольного метана практически невозможно. Насколько нам известно, механизм и закономерности деформирования углевмещающих толщ и метанонасыщенных угольных пластов при извлечении из них флюидов ранее не изучались. Вышеизложенные доводы легли в основу программы изучения геомеханических процессов, происходящих в горном массиве при извлечении метана из угольных пластов, включавших комплекс соответствующих аналитических и теоретических исследований, физического (с применением эквивалентных материалов) и компьютерного моделирования [5]. Результаты экспериментов на моделях из эквивалентных материалов, имитирующих различное строение свиты пластов, разную степень и порядок их дегазации, показали, что при извлечении метана из угольных пластов свиты в толще горных пород происходит формирование зон разгрузки-пригрузки, аналогичных тем, которые имеют место при подработкенадработке пластов при добыче угля. Из этого следует, что при дегазации свиты угольных пластов управление процессами извлечения метана можно осуществлять, используя эффекты, связанные с разгрузкой и пригрузкой под- и надрабатываемого горного массива [5,6]. Теоретические исследования взаимосвязи геомеханических и газодинамических процессов, происходящих в горном массиве при извлечении метана из угольных пластов, свидетельствуют о возможности установления закономерностей изменения геомеханического состояния углевмещающей толщи при извлечении из нее флюидов с применением математического моделирования, основывающегося на представлении деформирующегося горного массива как сплошной среды, поведение которой может описываться на основе теории упругости [7]. На первом этапе исследований для прогнозирования изменения геомеханического состояния горного массива при отборе газа учитывалось влияние основных горно-геологических факторов на его сдвижение и формирование напряженнодеформированного состояния слагающих его горных пород и угольных пластов: структура массива горных пород и их прочностные свойства; обводненность углевмещающей толщи и угольных пластов; мощность, глубина залегания и углы падении дегазируемых пластов; степень и порядок отбора метана из пластов углевмещающей толщи [5]. Моделирование изменения напряженно-деформированного состояния свиты пологопадающих пластов при их дегазации показало: — усадка пластов возрастает с увеличением их мощности, глубины залегания и степени отбора газа в интервале 0,42 % — 1,76 % от мощности пласта, что согласуется с данными теоретических исследований (2-3 %); — «подработка и надработка» угольных пластов существенно (на 25 % и более) снижает первоначально действующие напряжения, т. е. разгружает их от горного давления; — уровень разгрузки «под- и надрабатываемых» пластов уменьшается при увеличении глубины их залегания; — при нисходящем порядке «отработки» углевмещающей толщи размеры зон разгрузки и степень снижения напряжений уменьшаются, т. е. каждая новая группа угольных пластов будет «отрабатываться» в относительно худших условиях дегазации; — при восходящем порядке «отработки» углевмещающей толщи параметры разгрузки пластов увеличиваются. Проведенные исследования показали, что извлечение из угольных пластов метана и воды приводит к нарушению их природного геомеханического состояния. При этом в угольных пластах происходит усадка угольного вещества с одновременным изменением их напряженного состояния, раскрытия природной и формирования дополнительной (техногенной) трещиноватости, что приводит к повышению газопроницаемости пласта, интенсификации выделения свободного метана и деструкции системы «уголь – метан». Извлечение воды из водонасыщенных пород углевмещающей толщи (водоносных горизонтов) по механизму действия ТРУБЕЦКОЙ Клемент Николаевич Проф., академик РАН ГУРЬЯНОВ Владимир Васильевич Доктор техн. наук, проф. подобно извлечению газа и воды из угольных пластов, т. к. при интенсивной откачке воды из водоносного слоя снижается ее давление, ведущее соответственно к уменьшению напряженного состояния пород и их усадке. При этом также происходит перераспределение горного давления в породах углевмещающей толщи и их разуплотнение. Формирующаяся в результате этого процесса зона разуплотнения водонасыщенного слоя горных пород аналогична по своей структуре зоне, образующейся при дегазации угольного пласта. Происходящее изменение напряженнодеформированного состояния угольного пласта (его разгрузка и пригрузка) ведет к перераспределению горного давления в слоях пород углевмещающей толщи и их «разуплотнению», т. е. соответствующему изменению их напряженно-деформированного состояния. Зона разуплотнения углевмещающей толщи (по нормали к напластованию пород) распространяется на выше- и нижележащие (от рассматриваемого угольного пласта) слои горных пород и заключенные в них другие угольные пласты и пропластки. Размер этой зоны вверх от пласта всегда больше ее размера вниз от пласта и зависит от многих горно-геологических параметров: глубины залегания рассматриваемого пласта, его мощности, строения, прочности (крепости) угля; структуры пород углевмещающей толщи, их мощности и прочности и т. д. В свою очередь, у угольных пластов, попавших в зону разуплотнения углевмещающей толщи, происходит изменение их напряженно-деформированного состояния. При этом в «под- и надрабатываемых» пластах образуются свои зоны разгрузки и пригрузки. Степень изменения напряженно-деформированного состояния слоев горных пород и угольных пластов характеризуется уменьшением или увеличением (при пригрузке) действующих напряжений, их видом (растяжения, сжатия или сдвига), величиной усадки (уменьшения мощности) породного слоя или угольного пласта. В зоне пригрузки угольного пласта или слоя породы наблюдается повышение (концентрация) действующих напряжений, обусловливаемая опорным давлением налегающей толщи пород. Как уже отмечалось, величина указанных параметров зон разуплотнения и разгрузки-пригрузки зависит от большого количества разнообразных горно-геологических и производственно-технических факторов. К числу важнейших горно-геологических факторов, как показали проведенные исследования, следует отнести наличие и распределение в углевмещающей толще слоев «пород-мостов», характеризующихся значительной упругостью и жесткостью. Как правило, в угленосных отложениях породы-мосты формируются из мощных слоев прочных песчаников и алевролитов. Особенностями пород-мостов являются их высокая устойчивость к деформациям и способность выдерживать большие нагрузки залегающих над ними толщ менее прочных пород. Эти свойства таких слоев пород, в частности, проявляются в их экранирующем воздействии на другие породы горного массива. Эти специфические особенности пород-мостов, как показали проведенные исследования, оказывают значительное влияние на формирование напряженнодеформированного состояния пород углевмещающей толщи при извлечении из нее флюидов. Повышение газопроницаемости угольных пластов является первым и важнейшим мероприятием в комплексе технологических приемов по извлечению метана из газоносных угольных пластов. Обеспечение необходимого уровня проницаемости угольного пласта требуется для обеспечения миграции к добычной (дегазационной) скважине находящихся в свободном состоянии в угольном пласте газов и воды, а также для инициирования процесса десорбции связанного с угольным веществом метана за счет распада системы «уголь – метан – вода». Повышение газопроницаемости угольного пласта может достигаться за счет раскрытия естественных систем трещиноватости или создания искусственных (техногенных) Активация естественной трещиноватости угля (раскрытие трещин природного кливажа, увеличение их протяженности и зияния) может происходить лишь при изменении напряженно-деформированного состояния газоносного угольного пласта. Создание дополнительной, техногенной трещиноватости в угле может осуществляться либо за счет проведения различных мероприятий по нарушению целостности (естественной плотности) угля на основе применения пневмо- и гидроразрыва (расчленения) пласта и других техногенных воздействий, либо за счет создания условий по изменению напряженно-деформированного состояния пласта (чередование сжимающих и растягивающих нагрузок), происходящих, например, при периодическом влиянии пригрузки и разгрузки пласта. Таким образом, сущность повышения газопроницаемости угольных пластов на основе управления геомеханическим состоянием горного массива при извлечении из него флюидов заключается в создании определенных условий для целенаправленного изменения действующих в этих пластах напряжений. Обобщение исследований изменения геомеханического состояния массива горных пород при разработке угольных месторождений, а также деформационных процессов и перераспределения напряжений в газонасыщенной углевмещающей толще и угольных пластах при извлечении из них флюидов свидетельствует, что явления разуплотнения горных пород и разгрузки-пригрузки угольных пластов могут происходить в результате осуществления определенных производственно-технических мероприятий. Опыт разработки газовых и угольных месторождений свидетельствует, что указанные явления могут иметь место: — при предварительном осушении угольного пласта и водоносных горных пород углевмещающей толщи; — за счет использования эффекта «подработки-надработки» смежных угольных — на основе применения рационального для данных горно-геологических условий порядка дегазации угольных пластов рассматриваемой углевмещающей толщи (восходящего, нисходящего, комбиниро — при использовании скважин с горизонтальным окончанием ствола; — при комплексном использовании геомеханических факторов и других техногенных воздействий. В практике дегазации шахт и промышленной добычи угольного метана могут иметь место различные требования к интенсивности извлечения газа из угольных пластов. Исходя из этого, должны применяться и соответствующие способы повышения газопроницаемости угольных пластов на основе управления геомеханическим состоянием горного массива. Результаты проведенных исследований изменения геомеханического состояния газонасыщенной углевмещающей толщи при извлечении из нее флюидов, приводящего к разупрочнению массива горных пород и разгрузке-пригрузке угольных пластов, позволяют говорить о возможности управления этим процессом и регулирования на этой основе наряженно-деформированного состояния, газопроницаемости и газоотдачи метаноносных угольных пластов. Таким образом, комплекс проведенных в ИПКОН РАН исследований по оценке геомеханического состояния газонасыщенного горного массива и его изменения в процессе извлечения флюидов из недр позволили обосновать новое направление в разработке перспективных способов повышения газопроницаемости и газоотдачи угольных пластов. В связи с тем, что интенсификация газоотдачи угольных пластов на основе управления геомеханическими процессами базируется на осуществлении разуплотнения (разгрузки) горных пород и угольных пластов, она применима практически в любых горно-геологических Универсальность данного направления интенсификации газоотдачи угольных пластов позволяет также использовать его в сочетании с другими способами, основывающимися на применении различных техногенных воздействий на горный массив. Первоочередное применение этого способа позволит существенно повысить эффективность указанных воздействий. Особо следует отметить, что указанные результаты и выводы сделаны на основе теоретических и лабораторных исследований и, естественно, нуждаются в проверке в натурных условиях. Поэтому при проектировании работ по извлечению угольного метана необходимо предусматривать проведение комплекса натурных исследований сдвижения горных пород и изменения их геомеханического состояния при извлечении флюидов из углевмещающей толщи. Результаты этих исследований позволят выбирать оптимальный порядок отбора метана из углевмещающей толщи, обеспечивающий необходимую степень разгрузки угольных пластов от горного давления и повышения их газопроницаемости, определяющими степень газоотдачи пластов и дебит добычных скважин. Все это позволяет сделать вывод, что применение и дальнейшая разработка предложенных методов повышения газопроницаемости угольных пластов на основе управления геомеханическим состоянием углевмещающей толщи при извлечении из нее флюидов, будут способствовать повышению эффективности заблаговременной дегазации разрабатываемых угольных пластов и промышленного извлечения метана из высокогазоносных угольных месторождений. Список литературы 1. Николаевский В. Н. Геомеханика и флюидодинамика — М.: Недра, 1996. — 448 с. 2. Зотов Г. А., Черных В. А. Геодинамические процессы при разработке месторождений углеводородов / Сб. Геотехнологические проблемы разработки месторождений природного газа — М.: ВНИИГАЗ, 1992. — С. 24 – 30. 3. Зотов Г. Ф., Динариев О. Ю., Крупин Г. С., Николаев О. В., Черных В. А. Физические явления в низкопроницаемых деформируемых породах при разработке месторождений природного газа / Сб. Геотехнологические проблемы разработки месторождений природного газа — М.: ВНИИГАЗ, 1992. — С. 15 – 24. 4. Куускраа В. А. Снижение эмиссии метана на угольных шахтах: бассейны Ворриер и Кузнецкий / Сб. докладов II Международной конференции «Сокращение эмиссии метана — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. — С. 451 – 459. 5. Гурьянов В. В. Направления исследований геомеханических процессов в углевмещающей толще горных пород при извлечении метана из неразгруженных пластов и методические подходы к их проведению / Горный информационно-аналитический бюллетень — М.: МГГУ, 2001. — № 5. — С. 14 – 19. 6. Гурьянов В. В., Иофис М. А. О повышении эффективности заблаговременной дегазации свиты угольных пластов на основе управления геомеханическими процессами в горном массиве / Горный информационно-аналитический бюллетень — М.: МГГУ, 2000. — № 7. — С. 146 – 149. 7. Гурьянов В. В. , Трофимов В. А. , Шик В. М. Результаты моделирования геомеханических процессов в углевмещающей толще при извлечении из нее флюидов / Горный информационно-аналитический бюллетень – М. : МГГУ, 2002. – № 6. – С.