Лишнее отбросить
Результаты опытно-промышленного внедрения технологии плазменно-импульсного воздействия
Результаты опытно-промышленного внедрения технологии Плазменно-импульсного воздействия для заблаговременной дегазации угольных пластов в филиале «Шахта «Ерунаковская VIII» и перспективы ее масштабирования
Российская технология плазменно-импульсного воздействия (ПИВ) — новое направление, не имеющее аналогов в мире, по заблаговременной дегазации угольных пластов. Разработанная методика и ее применение основаны на теории «самоорганизации природной динамической системы, которая отражает наиболее общие свойства поведения сложных систем, условия их устойчивости, природу неустойчивости и эволюцию вдали от термодинамического равновесия.
Разработчики, создавая «Идеальный нелинейный плазменно-импульсный источник направленных управляемых широкополосных периодических возмущений», исходили из физических процессов, происходящих в угольных пластах, пластах-спутниках и вмещающих породах, которые относятся к природной динамической системе, вид и свойства которой определяется самой системой и которая, при определенных условиях, склонна к самоорганизации.
Как представляется, возникновение спонтанной самоорганизации природной динамической системы во многом объясняет многочисленные аварии, связанные с неожиданными выбросами породы, угля и газа в рабочее пространство шахт.
В таких системах резко возрастает роль малых величин и эффектов, которые, будучи задействованы в определенное время, в определенной точке, отнесенной к единице массы, позволяют управлять процессами самоорганизации, синхронизировать и упорядочивать систему.
Заложенные в технологию плазменно-импульсного воздействия (ПИВ) малые, периодические, широкополосные, направленные, управляемые возмущения, инициируемые источником плазменно-импульсных возмущений, играют роль спускового крючка, запускающего в действие скрытые энергетические резервы, что позволяет перестроить природную динамическую систему с последующим отбором метана из угольных пластов, пластов-спутников и, в случае необходимости, вмещающих пород до безопасного уровня, что подтверждается практикой применения ПИВ в реальных геолого-технических условиях.
В 2015 году на шахте «Ерунаковская VIII» на пластах с газоносностью более 15 м3/тонну лавы 48-5 и лавы 48-6 было пробурено четыре скважины в запланированные купола обрушения на расстоянии 200 метров друг от друга, в которых впервые в мире была применена технология плазменно-импульсного воздействия (ПИВ) с целью определения возможности внедрения ее в промышленное производство для заблаговременной дегазации угольных пластов, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа.
На лаве 48-5 горные работы начались через три месяца, после ввода двух обработанных ПИВ вертикальных скважин в эксплуатацию, а на лаве 48-6 горные работы начались в октябре 2016 года. Перед применение ПИВ были проведены лабораторные и стендовые испытания на углях шахты «Ерунаковская VIII». Исследования микротрещиноватости образцов угля, вызванной ПИВ, методом рентгеновской томографии показали, что природные трещины соединились созданными микротрещинами в обширную сеть микротрещин. Таким образом, можно сделать вывод, что ПИВ оказывает влияние на внутреннее строение углей, а именно приводит к образованию новых трещин и большей раскрытости ранее существующих, причем формируются трещины по одной принципиальной схеме, повторяя блочное строение породы. Это позволило предположить возможность при применении ПИВ перевода сорбированного и значительного объема растворенного в угле газа в свободное состояние с последующим извлечением метана через скважины, пробуренные с дневной поверхности в будущие купола обрушения.
Во время воздействия на угольные пласты проводился пассивный геофизический мониторинг с помощью микросейсмических исследований. По результатам интерпретации микросейсмических исследований определили эффективный радиус зоны воздействия 500 метров. Также были получены результаты распределения микросейсмических событий в процессе ПИВ, в том числе: максимальная энергия сдвиговых напряжений 1950 кДж; энергия сжатия среды 42,88 кДж; энергия создания трещин отрыва 35,83 кДж; энергия эмиссии метана из угля и создание микротрещин 3004 кДж.
По результатам исследований была построена 3D-гидродинамическая и геологическая модель. Геологическая модель позволила оценить напряженное состояние угольного пласта, рассчитать созданную проницаемость, определить область влияния ПИВ, которая может превышать 900 метров от скважины. Основные максимумы повышенных значений техногенной проницаемости, установленные с помощью 3D-моделирования, протягиваются вдоль крупных трещин, создавая сеть фильтрационных каналов, а также наличие этих каналов. Данные моделирования были подтверждены результатами дебитов метана и воды из скважин заблаговременной дегазации. Гидродинамическое моделирование позволило оценить ресурсы угольного метана в пределах области скважин заблаговременной дегазации.
В целом эксперимент был признан работоспособным, и принято решение об опытно-промышленном внедрении технологии ПИВ на лаве 48-9, разработка которой запланирована на конец 2021 года.
В конце 2017 — начале 2018 года на лаве 48-9 было пробурено восемь скважин (А12; А11; А10; А9; А8; А7; А6; А5) на расстоянии 120 метров друг от друга, в которых было проведено ПИВ. Несмотря на то, что скважины бурились последовательно, а последние А6 и А7 запущены в эксплуатацию в марте и апреле 2018 года, суммарно по состоянию на 2 декабря 2018 было извлечено 4 млн 750 тыс.м3 метана чистотой 97.41%.
Работа скважин, с учетом вынужденных простоев по причине перебоев с электроснабжением, заменой бронированных кабелей и насосов, отражена в таблице 1 и на рисунке 1.
Ввод в эксплуатацию скважин заблаговременной дегазации производился последовательно, сразу после окончания бурения. Первые скважины были запущены в работу в марте 2017 года. Скважины должны проработать до начала ведения горных работ (2021 год).
Обращая внимания на дебит метана и воды, можно сделать вывод, что работа каждой скважины индивидуальна. Даже при условии, что расстояние между скважинами 120 метров, технология бурения и конструкция скважин одинаковая, результаты работы каждой скважины разные. У каждой скважины свой дебит метана и воды. По результатам дебита воды наблюдается создание общей депрессионной воронки. В краевых скважинах А5, А6 и А12 наблюдается увеличенный приток жидкости в скважину, тогда как в центральных скважинах А7–А11 приток жидкости минимальный из-за общей депрессионной воронки и, как следствия, распределения отбора жидкости пятью скважинами.
Первые скважины проработали уже более 500 суток. Меньше всего проработала скважина А7, которая была запущена в работу в начале мая 2018 года.
В связи с разными водопритоками в скважинах используются различные насосные установки. Для откачки жидкости из скважины А7–А12 используются погружные насосные установки типа ЭВН, для откачки жидкости из скважин А5 и А6 (максимальные притоки) используются ЭЦН.
Наблюдение за работой всех скважин свидетельствует, что в результате ПИВ создана обширная депрессионная воронка, которая связала все восемь скважин единой фильтрационной системой. Так, в случае остановки какой-либо скважины немедленно откликаются соседние скважины существенным увеличением дебита по метану и воде.
В декабре 2018 года начато строительство еще восьми скважин в контуре лавы 48-9, в которых будет проведено плазменно-импульсное воздействие, и суммарно к концу 2021 года планируется извлечь около 40-45 млн м3 метана, что понизит газоносность с 24-25 м3/тонну до безопасного уровня.
Следует отметить, что в 2017 году во время экспериментальных работ из горной выработки лавы 48-5 в лаву 48-6 Распадская угольная компания станком VLD-1000 пробурила 10 наклонно-направленных скважин длинной от 600 до 1 700 метров, из которых три попали в зону влияния скважин с ПИВ А3 и А4. В течение 10-14 суток эти наклонно-направленные скважины работали с дебитами метана, превышающими 12 м3 в минуту. Съем газа резко снижался из-за разрушения необсаженных стволов наклонно-направленные скважины. Остальные семь скважин, не попавшие в зону влияния скважин ПИВ, практически не отличались от работы обычных скважин пластовой дегазации. За шесть месяцев из наклонно-направленных скважин было получено 2 600 000 м3 метана. Суммарно наклонно-направленные скважины вместе со скважинами заблаговременной дегазации извлекли общий объем метана 3 600 000 м3 метана.
С учетом приобретенного опыта по возможности планируется пробурить наклонно-направленные скважины в зону влияния созданную скважинами после ПИВ А5–А12, а также А-13–А-20. Таким образом, будет более эффективно проведена дегазация до безопасного уровня, что в конечном итоге позволит снизить метаносность угольных пластов до безопасного уровня.
В настоящее время ведутся подготовительные работы по заблаговременной дегазации угольного пласта на шахте №2 АО «Распадская-Коксовая» с применением технологии плазменно-импульсного воздействия.
Уникальность технологии ПИВ, помимо вышеуказанных возможностей, заключается в том, что в случае снижения производительности вертикальных скважин, в них вновь проводится воздействие, что позволяет постоянно поддерживать высокий дебит каждой скважины. Такие мероприятия можно проводить неоднократно, по мере необходимости. В середине декабря 2018 года запланировано повторное применение ПИВ в скважинах А11 и А12, которые были остановлены в ноябре и августе соответственно.
Подобные работы с применением ПИВ проводятся дочерней структурой «Георезонанс», компанией «Дэвасы» в Китае в провинциях Шаньси, Сычуань, Шэньси, где ведется промышленная добыча метана. Эффективность результатов подтверждена соответствующими протоколами.
Петр Агеев, член-корр. МАНЭБ, директор по науке,
Андрей Десяткин, к. г-м наук, главный инженер проектов, компания ООО «Георезонанс» — резидент государственного инновационного центра «Сколково».