+7 (499) 132-61-82

Статья А.Г. Демченко в журнале Уголь №3 2008

4-09-2015, 14:04
Дегазация угольных пластов и дальнейшее использование газа в промышленных целях, а также проведение доразведки угольных месторождений методом направленного бурения.

Мировыми лидерами в добыче угольного метана являются Австралия ,США и Китай. Только в США его добыча увеличилась с 5 млрд куб. м в 1990 г. до более чем 50 млрд куб. м в 2006 г. Извлечением метана в промышленных масштабах занимаются также Колумбия и ЮАР.

Масштабная добыча угольного метана в зарубежных странах началась после того, как государство стало стимулировать такие проекты. По такому пути пошли правительства США, Австралии, Китая, которые предоставили значительные налоговые льготы компаниям, занявшимся извлечением газа из угольных пластов. Кроме того, Китайское правительство обложило угледобывающие предприятия налогом (природной рентой), который в течении года накапливается, и, если предприятие отчитывается перед правительством о проделанной работе по добыче газа и проведенных мероприятиях по дегазации угольных пластов с целью повышения безопасности труда шахтеров, то накопленная в течении года сумма возвращается предприятию, если нет, то нет.

Традиционная ресурсная база углеводородов постепенно сокращается. Приходится бурить более глубокие скважины на действующих месторождениях Восточной Сибири, выходить на неосвоенные территории: шельф Каспия. А это, в свою очередь, увеличивает себестоимость добычи природного газа. В этих условиях извлечение метана из угольных пластов становится все более привлекательным. Особенно если учесть, что этот газ будет добываться и поставляться потребителям, находящимся в промышленно развитых районах. Только Караганде ежегодно требуется сегодня около 1 млрд куб. м, и потребность в нем будет только расти. Кстати по своему составу угольный газ зачастую лучше природного, так как содержит меньше примесей и на 95-98% состоит из чистого метана.

Не случайно глава Кемеровской области Аман Гумирович Тулеев обратился к Президенту Владимиру Владимировичу Путину с просьбой предоставить проектам по производству метана из угольных пластов льготы по налогам на добычу полезных ископаемых, а также на прибыль. Только пробурив тысячи погонных метров скважин, проект станет рентабельным.

Существенные достижения в направленном бурении за последние 20 лет привели к развитию технологии, которая способна предоставить угледобыче широкую гамму возможностей для дегазации пластов, обеспечить лучшую идентификацию и понимание горно-геологических условий разработки месторождения. На смену роторному бурению с контролем отклонения, системой разведочного керноотбора одноразового действия и стабилизаторами контроля угла падения пласта, характерному для 1970-х годов, в 1990-х годах пришли новые системы. Они дают возможность проведения измерений внутри скважины в ходе ведения буровых работ, оснастить оборудованием с высоким давлением на долото, мощными буровыми насосами и высокопрочными трубами. Буровики успешно совместили эти системы с гидравлическим разрывом для увеличения газоотдачи скважины в угольных залежах с малой проницаемостью для обеспечения дренирования метана и снятия напряжения с массивов кровли до начала разработки месторождения лавами.
Для добычи метана пригодны далеко не все месторождения. Так, длиннопламенные бурые угли бедны, а уголь-антрацит отличается высокой концентрацией газа, но его невозможно извлечь из-за высокой плотности и чрезвычайно низкой проницаемости углей. А вот уголь, занимающий промежуточное положение между бурым и антрацитом, относится к самым перспективным для добычи метана. Именно такие угли преимущественно залегают в Караганде .

Особенность газосодержащих угольных месторождений заключается в том, что, в отличие от традиционных залежей природного газа, в которых газ находится в свободном состоянии в пористых коллекторах (например, в песчанике), в угольных пластах метан сорбирован углем или защемлен в мельчайших трещинах. Содержание газа в самых насыщенных газом углях достигает более 30 куб. м на 1 т. Кстати на глубинах до 1 км концентрация газа выше, чем в пористых породах газовых месторождений, но отсюда его гораздо труднее извлечь.
Схема дренажа газа после выемки угля
Статья А.Г. Демченко в журнале Уголь №3 2008

В настоящей статье рассмотрены достижения при использовании систем направленного бурения из подземных выработок , с поверхности и проанализированы варианты их применения, включая пластовое дренирование метана, дренирование газа из выработанного пространства, извлечение метана в коммерческих целях, обнаружение заброшенных угольных выработок, определение нарушений сплошности до начала разработки месторождения, определение характеристик угля, кровли выработки и почвы, снятия напряжения.

Установки направленного бурения, описанные в статье, применяются компанией Biotop UK - дочерней структуры компании Valley Longwall Drillind Systems International Pty.(VLW), расположенной в г. Сиднее (Австралия). Эта уникальная в своей области компания является лидером в области направленного бурения в угольной отрасли (за год бурят более 200 тыс. м скважин) только собственными станками. Компания имеет производство буровых станков, свое инженерное подразделение, которое производит сопутствующее оборудование (сепараторы, арматуру, долота и многое другое) для добычи газа, также имеет сервисное подразделение (более 600 высококвалифицированных буровиков) которые имеют богатый практический опыт по извлечению газа метана, начиная с 1985 г.
Последние достижения в оборудовании систем направленного бурения

Последние достижения в системах подземного шахтного направленного бурения существенно увеличили скорость бурения, глубину и точность расположения скважин. Эти достижения позволили сократить затраты на проведение направленного бурения и расширили возможность использования этого метода в угольной промышленности.
Буровые станки направленного подземного бурения, выпускаемые Valley Long Wall (Австралия) позволяют бурить скважины глубиной более 1500 м
Статья А.Г. Демченко в журнале Уголь №3 2008

Совершенно очевидно, что разработка аттестованных устройств, которые способны предоставить бурильщику информацию высокой степени точности о расположении забоя скважины и направления бурения, привели к хорошему результату. Первый пример здесь - это DDMS, электронная бурильная навигационная система, выпускаемая компанией VLD (Австралия). DDMS, оснащенная трехосными геометрическими датчиками, расположенными за глубинным мотором, он посылает информацию о положении забоя наверх по кабелю с высокой скоростью передачи к расположенной наверху системе управления ( каждые 5 сек).

DDMS существенно экономит время на разведку по сравнению с однодробными скважинными системами (сигнал одиночного замера направляется вниз по буровой стали и от датчика, затем возвращается и расшифровывается). В зависимости от глубины скважины, процесс прохождения сигнала может занимать до 45 минут. «Больше не надо терять время на расшифровку, а можно полностью сосредоточиться на бурении», - говорит Управляющий директор Valley Drilling Даррелл фон Станке о преимуществах DDMS. Valley Drilling установила мировой рекорд направленного бурения, равняющийся 512 м за смену 8 час. Обычные нормы направленного бурения составляют в районе 130 м за смену в зависимости от условий. Точность направленного бурения у операторов с однодробным инструментом, как правило, составляет ±1 градус по азимуту и ±0,5 градуса по углу наклона. С помощью DDMS операторы достигли точности в ±0,5 градуса по азимуту и ±0,2 градуса по углу наклона. Если перенести эти данные на план, то они будут соответствовать показателю лучше, чем ±4 м на 1 000 м.
Прибор DDMS (версия 1) для устья скважины производства компании VLD (Австралия)
Статья А.Г. Демченко в журнале Уголь №3 2008

Последние достижения в придании подвижности и гибкости модульному кабелю, вмонтированному в буровой штанге для работы с DDMS, сократили гидравлические потери. В паре с встроенной высокой производительности кабельной системой телеметрии позволяет бурить направленные скважины даже большей глубины.
Оребренные центраторы здесь держат и изолируют провода в бурильных штангах и сокращают потери давления жидкостной среды примерно на 30% по сравнению с применявшимися ранее моделями одиночных центраторов. Типовые скважинные моторы требуют от 3 до 5 л/с буровой жидкости под давлением от 2 до 3 МПа при максимальном крутящем моменте (до 400 Нм).

Новая высокопроизводительная система бурильных труб со встроенным кабелем для передачи телеметрических данных позволяет бурить скважины глубиной и боле 1 500 м.
Буровая штанга со вставленной в нее системой DGS MECCA
Статья А.Г. Демченко в журнале Уголь №3 2008

Применение систем направленного бурения для извлечения внутришахтного метана

Длинные точно идущие скважины в пластах в состоянии эффективно снизить содержание газа в больших объемах угля до начала разработки месторождения с низкой и высокой проницаемостью углей. Обладая возможностями направленного бурения, бурильщики могут эффективно дренировать метан из пласта угля в шахте или на уровень выше или ниже ее.

Компания «VLW» эффективно пользуется методом моделирования продуктивного пласта для определения расстояния между скважинами и времени на дегазификацию для специфических геологических и пластовых условий.

В местах, где применение вертикальных скважин в выработанное пространство невозможно, и при многоуровневом горном производстве, где перекрестная технология отбора газа или технология отбора газа из вышерасположенных выработанных пространств неэффективна или слишком затратна, буровики могут проделывать горизонтальные скважины по будущим лавам. Таким образом, создаются раковины низкого давления, которые могут затягивать выработанный газ, поступающий из верхних слоев.
Как и в отношении любого другого метода дегазации, инженеры должны определить, применимо ли направленное бурение к данной системе угледобычи, учтя все геологические условия и условия продуктивного пласта, а также вопросы материально-технического обеспечения.

Разработка лавами оказывает существенное воздействие на ниже- и вышепролегающие пласты, нарушая вертикальные барьеры проницаемости, которые отделяют газодинамические формации горных выработок. Системы направленного извлечения газа из выработанных пространств как нельзя лучше подходят для подобных условий.
Конструктивные решения дренирования газа выработанных пространств учитывают распределение напряжения в этом пространстве, расстояние до газодинамических пластов, их геомеханические характеристики и то, как разработка лавами влияет на пласты, включая системы вентилирования. Геомеханические характеристики пород, включая угольные пласты, важны для оценки буримости и устойчивости скважины. Частота и тип геологических нарушений сплошности, включая направление напряжения, влияют на устойчивость скважины и диктуют анизотропию проницаемости. Зная эти условия, проектировщики могут планировать размещение скважин и их направление для максимизации дренирования метана. Содержание газа в естественном залегании, естественный разлом, кливажная проницаемость и показатели десорбции определяют время, необходимое для дренирования пласта и расчета расстояний между скважинами. Размер входов, наличие водо- и энергоснабжения и график освоения месторождения - все влияет на определение места ведения буровых работ в районе работающей угольной шахты.

На некоторых шахтах угольного бассейна Верхней Силезии в Польше и Чешской Республике добыча угля ведется на больших глубинах (более 600 м) с использованием многоуровневой лавной технологии. Во многих случаях добываются угли с высоком содержанием газа в естественном залегании (больше 12 куб.м/т) и низкой проницаемостью (от 0,1 до 1 миллидарси). Из-за расположенных выше и ниже газодинамических пластов, эти шахты сталкиваются с высоким уровнем выбросов метана во время лавной добычи. На многих шахтах применяется простирающиеся вкрест скважины, но на более глубоком уровне, где содержание газа выше, бурятся многочисленные скважины из выработанного пространства, которые иногда проходят через тонкие угольные пласты или породы. В случае, и там, где для дренирования метана проделываются специальные галереи, направленное бурение может обеспечить более эффективный, с точки зрения затрат, способ решения проблем. Бурильщики направленных скважин могут проделывать их горизонтально до начала лавной разработки по угольными пластам в зону разгрузки. Эти скважинные целевые зоны располагаются под ближайшим газовым пластом и в зоне разлома, над зоной обрушения выработанного пространства.
Извлечение качественного трубопроводного газа для коммерческих целей на шахте Soldier Canyon

Компания «VLW» в течение 10 лет с успехом применяла технологию направленного бурения для коммерческого извлечения газа из угольного пласта на шахте «Soldier Canyon» близь городка Прайс в Юте. На этой шахте с камерно-столбовой системой разработки VLW пробурила 150 тыс. м скважин на двух пластах. Измеренное содержание газа в естественном залегании составило более 7 куб.м/т, а замеры проницаемости указали на наличие плотного кливажа и системы естественных разломов (проницаемость ниже 0,5 миллидарси). Поскольку на шахте велась камерно-столбовая система разработки, на ней имелся затрудненный доступ к целику угля, который нужно было бы в значительной части дренировать до начала разработки.
Применение систем направленного бурения для проведения разведки до начала разработки месторождения

Возможность выбирать направление и бурить скважины на большом расстоянии друг от друга с высокой точностью делают направленное бурение незаменимым для проведения разведки угольных месторождений. Ниже описаны некоторые инновационные решения по направленному бурению, примененные компанией «VLW» на ряде угольных месторождений.
Уточнение расположения заброшенных выработок на угольных шахтах востока США

Угольные бассейны, которые подвергались интенсивному освоению, такие как Аппалачский угольный бассейн в США, не располагают полными архивными данными, поэтому порой оказывается невозможным определить точное местонахождение старых выработок. В этом бассейне активно велась шнекобуровая выемка или вскрытие месторождения штольней из выходящих на поверхность пород, поэтому при современных методах добычи требуется уточнить расположение старых выработок, которые, скорее всего, заполнены водой. Правила Администрации по безопасности горных работ США (АБГР) требуют, чтобы при создании новых шахт рядом со старыми бурить часто скважины, чтобы убедиться, что новые выработки ведутся на необходимом расстоянии от старых. Вместо того, чтобы прокладывать штреки и потом определять расстояние, шахта «Хатчисон Бранч» в Западной Виржинии заключила контракт с VLW на направленное бурение между проектируемыми штреками и заброшенными выработками. Для повышения точности работ VLW пробурила тангенциальные ветви в проектируемые штреки для последующего их улавливания в ходе горных работ.
VLW не обнаружила ни одной старой выработки в коридоре между выработками, а последующие горные работы подтвердили точность расположения скважин до 2,4 м на расстоянии 353 м.
Определение структуры пласта и нарушения сплошности физическим путем до начала горных работ

Согласно определению, внутрипластовое дренирование метана и разведочное бурение требует, чтобы скважина находилась в пласте. При бурении буровой мастер периодически фиксирует кровлю и почву угольного пласта, чтобы уточнить его положение. Вычерчивание профиля скважины на основе данных каротажа и бурового журнала обеспечивает горные работы информацией о структуре угольного пласта.

Любые нарушения сплошности, замеченные в ходе бурения, такие как сдвиги пород, палеоканалы, интрузии и т.п., определяются в ходе мониторинга давления буровой жидкости, изменениями давления на долото, вибрацией, темпами проходки и выбуреваемой породой. В силу высокой точности расположения, достигаемой с помощью DDMS, особенно в отношении профиля, направленным бурением можно определить толщину угольных пластов и обычных нарушений сплошности из-за сдвига породы с допустимой точностью. За счет физического контакта с кровлей и почвой пласта и использования DGS, обычно можно определить толщину угольного пласта в зависимости от условий в пределах от 0,2 до 2,5 м.

Статья А.Г. Демченко в журнале Уголь №3 2008
Керновое бурение и геофизические исследования в скважинах, пробуренных направленно в подводных шахтах корпорации «Кейп Бретон Девелопмент» в Канаде

В настоящее время VLW участвует в разведочной программе корпорации «KBD» на двух шахтах под Атлантическим океаном в провинции Новая Шотландия в Канаде. Проектом предусмотрено проведение направленного бурения до начала лавной разработки для определения кровельной литологии и толщины пласта. Геологи шахты сопоставили устойчивость кровли и условий горного удара с непосредственной структурой кровли. Программа предусматривает бурение многочисленных тангенциальных скважин от внутренней части пласта вверх в кровлю и вниз в почву.

В альянсе с фирмой «LGI-Colog Inc. a Golden» из штата Колорадо (США), специализирующейся на геологическом бурении, VLW недавно освоила модифицированную систему естественного гамма каротажа через свои буровые штанги на шахтах корпорации «КБД» для сопоставления гамма реакции с данными бурового журнала и кернами. По словам геолога объекта Стива Форджерона, «система работала отлично - гамма каротаж должен минимизировать количество направленных отборов керна, которые нам понадобится сделать в будущем с помощью горизонтальных скважин». К настоящему времени программа внутрипластовой направленной разведки бурением обеспечила бесценную информацию до начала горных работ при значительно более низких затратах по сравнению с программой вертикального бурения с судна.
Скважины направленного бурения и гидравлический разрыв пласта

Используя показанный на рисунке 9 сдвоенный пакер, VLW производит разрыв пласта в скважинах направленного бурения для увеличения связности ствола скважины с естественными разрывами и кливажем для дренирования метана в плотных угольных пластах. VLW также с успехом применила этот метод на американской шахте «Линч 37» в штате Кентукки для разрыва массивной кровли из песчаника до начала лавной добычи. Другие потенциальные сферы применения включают уменьшение напряжения пласта до начала горных работ и снижение требований к измельчению и зарубки в твердых углях.

Компания «BIOTOP UK» и «VALLEY LONGWALL» владеет технологиями направленного бурения при бурении с поверхности по угольным пластам с целью дегазации.
Статья А.Г. Демченко в журнале Уголь №3 2008

Бурение с поверхности позволяет начать дегазацию угольных пластов задолго до того, как начнется добыча угля шахтным способом и помогает создать необходимую инфраструктуру для этого. Бурение с поверхности, так же как и подземное бурение, позволяет снизить пластовое давление путем откачки воды, заполняющей систему естественных трещин в угольной залежи. Высвободившийся газ фильтруется к забою скважины и выходит к устью скважины. Однако дебиты скважин из-за низкой проницаемости угольных пластов невелики. Для получения промышленных притоков газа с помощью гидроразрыва создаются высокопроницаемые дренажные каналы - трещины длинной 40-80 м и горизонтальные (до 1500 м) скважины бурятся по пласту.
Выводы

При использовании самых современных технологий направленное бурение обеспечивает угледобывающей промышленности эффективные и практичные методы дренирования метана и проведения разведки до начала горных работ и в процессе добычи. Опыт работы компаний «Valley Longwall International» в Северной Америке и Австралии подтвердил преимущества этой технологии для контроля над шахтным газом, возможности использования шахтного метана в коммерческих целях и при планировании шахт.
Подземный способ добычи газа экономически наиболее целесообразный, так как практически со первого метра бурения идет газ. Буровые станки компании «Valley Longwall» позволяют делать опережающую дегазацию до года.

Дегазация с поверхности на порядок дороже и, учитывая наши северные широты, не так эффективна, как в США и Австралии. Но, принимая во внимание, что дегазация начнется задолго до того, как начнется подземная добыча, и она подтянет инфраструктуру к месторождению, дегазация с поверхности методом направленного бурения тоже внесет свои положительные моменты и главное обеспечит безопасность шахтеров.

Официальным представителем компании «Valley Longwall International» (Австралия) по Европе и странам СНГ является компания «Biotop UK» (Англия), по всем вопросам касательно дегазации угольных пластов Вы можете связаться с представителем компании по адресу: agdem@biotopgroup.com тел.: (499) 132-61-09,
Контактное лицо: Демченко Александр Григорьевич.