Способы добычи и использования метана угольных пластов

В последние 20–30 лет, как сырьевому энергоресурсу, приоритет принадлежит углеводородам. И в первую очередь — природному газу. Освоение месторождений, его добыча, транспортировка и широчайшее использование во всём мире растёт по экспоненте. Помимо энергетики углеводородное сырьё пользуется всё большим и возрастающим спросом и в сфере газохимии.

Запасы природного газа истощаются, при этом, нанося ещё и вред экологии. Так, запасы природного газа в России исчисляются (по разным источникам) от 35 до 48 триллионов кубометров. Если учесть, что ежегодная добыча природного газа у нас достигает уже порядка 600 миллиардов кубометров (а она ежегодно будет только увеличиваться), то его запасов хватит всего лет на шестьдесят.

Вполне очевидной является проблема поисков альтернативных энергоносителей и ресурсов. Так, во многих развитых странах (США, Канада, Австралия, Китай, Германия, Великобритания, Франция) уже перешли от экспериментальных наработок к промышленному освоению альтернативных источников. Среди них важное место занимают сланцевый газ и метан угольных пластов — по структуре и качественному составу во многом схожие с природным газом [1].

Вместе с тем, добыча сланцевого газа и метана из угольных пластов значительно отличается от природного газа — как по технологии, так и по трудозатратам. И стоимость условной единицы метана, добываемого из угольных пластов, пока ещё выше природного газа в несколько раз. А чтобы снизить себестоимость метана, и сделать его конкурентоспособным, требуются новые теоретические и экспериментальные разработки. Немаловажным при этом является ещё и сохранение экологической чистоты. На первых порах всё это требует немалых финансовых затрат, государственной поддержки и серьёзных инвестиций.

Метан угольных пластов представляет собой форму природного газа, содержащегося в пластах угля. О наличии газа в угольных залежах известно давно. Это один из существенных факторов риска в процессе эксплуатации шахт. Как правило, содержание метана растет с увеличением глубины залегания угля. Именно поэтому риск аварий, связанных со взрывами на шахтах, будет нарастать по мере выработки пластов угля нижнего залегания [2].

Метан может находиться в угольных пластах как в свободном, так и сорбированном или растворённом видах. При соприкосновении с воздухом и угольной пылью метан имеет свойства образовывать взрывоопасные смеси.

Поэтому газ угольных пластов до недавнего времени считался вредоносным и опасным попутчиком каменных углей, добываемых закрытым (подземным, шахтным) способом. При этом, важнейшей проблемой при добыче угля была его дегазация, то есть устранение газа из горных выработок. Целью дегазации является снижение поступления газа в горные выработки, предотвращающие его внезапные выделения.

Схема различных видов дегазации угольных пластов

Рис. 1. Схема различных видов дегазации угольных пластов

Различают дегазацию пассивную и активную. При пассивной дегазации источник выделения газа в горные выработки изолируется от шахтной атмосферы, и каптированный газ выводится либо за пределы опасного участка в струю воздуха для его разжижения до допустимых предельных норм, либо выбрасывается на поверхность. Активная дегазация (рис. 1) предусматривает процессы сбора и изолирования газа, с выводом его на поверхность, вакуумными способами — специальными искробезопасными вакуумными насосами по вентиляционным каналам. Наиболее эффективными способами активной дегазации угольных пластов считается заблаговременная дегазация на предполагаемых шахтных разработках, обычно за 3-8 лет до начала активной добычи угля. В таких случаях с поверхности бурятся вертикальные скважины, достигающие угольных пластов, а от них — уже забуриваются наклонно-горизонтальные — по простиранию шахтного поля. Максимальная эффективность предварительной дегазации угольных пластов, по оценке специалистов, достигает 50-60%.

Начало было положено ещё в середине 1950-х годов. А в 1961 году, впервые в мире, на одной из шахт Карагандинского угольного бассейна были осуществлены опытные испытания заблаговременной дегазации шахтного поля с обработкой пластов методом гидравлического расчленения.

В результате происходит понижение уровня содержания метана, что приводит к значительному сокращению рисков аварий. Скважина для добычи метана из угольных пластов обычно характеризуется низкими дебитами. Для максимального увеличения площади дренирования приток из скважин интенсифицируют несколькими способами. Самым распространенным способом интенсификации является гидравлический разрыв пласта. Причем эта технология применима для разного рода условий в угольных пластах. Гидравлический разрыв пласта проводят для образования новых или раскрытия уже существующих трещин с целью повышения проницаемости призабойной зоны пласта и увеличения производительности скважины. В процессе гидроразрыва специальную технологическую жидкость нагнетают в пласт под высоким давлением, достаточным для того, чтобы вызвать разрыв этого пласта. На следующем этапе гидроразрыва пласта в жидкость разрыва добавляют расклинивающий агент — пропант. Пропант распределяется в трещинах для предотвращения их закрытия после завершения операции. В качестве расклинивающего материала используют натуральные пески и искусственные керамические пропанты. При этом в мировой практике в большинстве проводимых операциях гидроразрыва применяют кварцевый песок. Это во многом обусловлено его доступностью, относительно низкой стоимостью и пригодностью для различных пластовых условий. Подача песка обязательна как во вновь созданные, так и в существовавшие в пласте трещины, раскрытые при гидроразрыве [3].

После добычи метан проходит очистку от механических примесей (угольной пыли; песка, использованного при гидроразрыве пласта) и других газов, а затем может быть направлен по трубопроводам к потребителю, либо пройти процесс сжижения, и также может быть направлен потребителю.

Существует два основных направления химической переработки и использования метана угольных пластов (рис. 2):
— прямая конверсия метана в необходимые продукты за счет получения хлорзамещенного метана — хлорметила, метиленхлорида, хлороформа, четыреххлористого углерода и ряда других продуктов, а также нитрометана;
— поэтапная конверсия метана, через получение синтез-газа, который является первичным продуктом переработки метана.

Основные направления использования и переработки метана

Рис. 2. Основные направления использования и переработки метана

Из синтезгаза получают метанол, синтетический бензин, дизельное топливо, диметиловый эфир и другие химические продукты, которые необходимы для производства полимеров. Метан угольных пластов — это ресурс, который становиться всё более значимым чистым энергоносителем, а технологии его — реальностью в глобальном масштабе.

Добыча метана из угольных пластов является инновационным проектом и имеет общегосударственное значение. Промышленная добыча метана угольных пластов в ведущем угледобывающем регионе России — Кузбассе свидетельствует о создании новой газовой подотрасли, которая позволяет повысить безопасность подземной добычи угля, создать более надёжную энергетическую базу и инфраструктуру для дальнейшего социально-экономического развития, дополнительные рабочие места и улучшить экологическую обстановку в регионе.

Список литературы:
1. Johnson A. Coalbed Methane: Clean Energy of the World. // Oilfield Review, 2009. – V. 21. – P. 4-17.
2. Золотых, С.С. Проблемы промысловой добычи метана в кузнецком угольном бассейне / Золотых, С.С., Карасевич, А.М. – М.: ИСПИН, 2002. – 570 с.
3. Тагиев С.М. Добыча метана угольных пластов в мире и перспективы добычи в Кузбассе // Materials of XI International Research and Practice Conference. – Sheffield UK, 2015. V. 10. – P. 77-80.

Авторы: Войтов Михаил Данилович, профессор каф. СПСШиРМПИ , к.т.н.
Шишков Роман Игоревич, студент каф. СПСШиРМПИ
Тагиев Санан Мехман оглы, студент каф. ОПИ, e-mail: tagiev_senan@mail.ru, тел.: +7-951-166-51-55

Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 650000,
Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28

Материал опубликован в журнале «Добывающая промышленность» №2 2016 г.

тортик

Новости по теме