Международный опыт добычи метана угольных пластов и технологии строительства горизонтальных многозабойных скважин

Метаноугольная отрасль за рубежом достигла значительного технического прогресса, особенно в Соединенных Штатах, Канаде и Австралии.

Однако в силу различий в разных странах геологических условий угольных пластов и сред, в которых ведётся разработка, разведка и технологии добычи также должны различаться.

Соединенные Штаты Америки являются самой успешной страной в метаноугольной отрасли, и используемые там технологии бурения являются самыми зрелыми и продвинутыми.

Геологические условия угольных пластов в стране являются относительно хорошими, и, как правило, в качестве буровых растворов там используются воздух, газ, аэрированные растворы и пластовая вода для бурения на депрессии и строительства открытых скважин.

Порядка 90% скважин в стране выполнены бурением на депрессии, которое играет крайне важную роль в развитии добычи МУП.

Эффективность шахтовых горизонтальных метаноугольных скважин была доказана уже давно. Однако доступ к пласту, необходимый для бурения горизонтальной скважины из шахты, делал данную технологию неприменимой в случае с заблаговременной разработкой.

Развитие технологий бурения и добычи в нефтегазовой отрасли в итоге дало возможность использования горизонтальных скважин для промышленной добычи угольного метана с поверхности.

В 1998 году в США были спроектированы и испытаны первые стыковые (и одиночные) технологии, позволяющие бурить с поверхности горизонтальные метаноугольные скважины [1].

Наиболее выдающаяся технология, применяемая в США, – это технология бурения многозабойных скважин от CDX Co. (рис. 1), которая прекрасно подходит для хорошо развитых угольных пластов, а также более эффективна для тонких пластов с низкой проницаемостью.

К августу 2006 г. компанией CDX Co. было пробурено более 170 скважин такого рода.

Канада демонстрирует значительный прогресс в бурении многоствольных скважин в результате исследований углей преимущественно низких марок, что позволило добиться уменьшения повреждения пласта и сокращения расходов на бурение при помощи использования колтюбинга.

Технология бурения с поверхности в Китае начала осваиваться относительно недавно, и большинство таких методов выполнены исходя из характеристик местных углей, с оглядкой на зарубежные технологии.

В настоящее время в Китае преобладают вертикальные метаноугольные скважины (в том числе кустовые) в силу более низкой их стоимости и простоты эксплуатации. Кроме того, кустовые скважины, более простые относительно орографических условий и лучше подходящие для горных районов, впервые были применены при разработке в угольном бассейне Цяньнань-Буи-Мяоского автономного округа.

Технология многозабойного бурения скважин была освоена лишь недавно и сопряжена с рядом технических рисков. Преимущества многозабойных скважин — большая площадь дренирования, а также высокая производительность с отбором на уровне порядка 85%.

Однако новая адаптированная под условия КНР многозабойная технология для горизонтальных скважин имеет определённые технологические риски и выполняется с успехом лишь около 50% [2].

В основном на угольных пластах применяется бурение на депрессии или со сбалансированным давлением, как например бурение со свободной водой, растворами с низким содержанием твёрдой фазы, воздухом.

Цель такого бурения заключается в снижении ущерба пласту и увеличении объёма добычи на одну скважину. В отношении технологии отбора керна в Китае преимущественно используется отбор керна с помощью съёмного керноотборника, что обусловлено следующими преимуществами: корпус кернового снаряда состоит из двух отдельных частей, внутренняя керноприемная труба может быть поднята до устья скважины бурильным инструментом без отключения после отбора керна, и, таким образом, достигается высокая скорость отбора и большой размер образцов.

Эта технология не только сокращает время подъёма колонны, но также позволяет отбирать пробы непрерывно.

На сегодняшний день большинство скважин — вертикальные, наибольшее распространение получил метод цементирования обсадной колонны и её перфорирования из-за надёжности и удобства применения.

Традиционная технология заканчивания скважины при необсаженном забое была протестирована в Китае, но не получила широкого применения.

Технология заканчивания скважины кавернообразованием была протестирована в провинциях Шаньси и Цзянси (Shanxi and Jiangxi Province), однако их результаты далеки от идеальных. Кроме того, технология заканчивания мини-кавернами опробована в угольной шахте Шенбей (Shenbei Coal Mine), где она показала свою перспективность.

В добыче угольного метана технологии цементирования имеют крайне важную роль. Для того чтобы уменьшить повреждение пласта жидким цементом и обеспечить должную прочность цементного кольца, применяются, в основном, цементы пониженной плотности, а также технологии, позволяющие контролировать высоту подъёма бурового раствора вдоль ствола.

Для контроля качества цементирования применяются акустический амплитудный каротаж и каротаж переменной плотности.

В процессе бурения угольный пласт легко засорить. Для снижения или предотвращения загрязнения применяются следующие технологии: во-первых, снижение плотности бурового раствора или использование аэрированных буровых растворов при бурении с почти сбалансированным давлением, либо бурения на депрессии.

Во-вторых, контролирование содержания твёрдых частиц и макромолекулярных примесей для предотвращения засорения ими угля.

В-третьих, подбор правильного бурового раствора, подходящего для флюидов в угольных пластах и строгий контроль потерь бурового раствора, чтобы предотвратить излишнее увлажнение, повреждения от воды и нерастворимого осадка, ускорения буровых работ.

В сравнении с более глубокими, традиционными нефтяными и газовыми залежами, угольные пласты обычно находятся под меньшим давлением, что означает, что давление в пласте ниже гидростатического.

С учётом этого, если выполнить бурение на уголь при повышенном давлении, структура угля может пострадать, что будет означать значительное снижение дебитов за счёт закупорки кливажа угля и снижения его проницаемости.

Наиболее распространённым методом бурения на депрессии является проведение работ с использованием воздуха или пены, в зависимости от того, какая система скважин выбрана: единичная или сдвоенная (стыковая) [3].

По сравнению с традиционной вертикальной скважиной, многозабойная скважина имеет несколько преимуществ: большая площадь дренирования, улучшенная проводимость, меньший вред угольному пласту, более высокие дебиты на скважину.

С учётом этих особенностей, многозабойные скважины имеют широкие перспективы применения.

Исследования технологии многозабойных скважин в Китае были начаты поздно. Однако в последние годы многие компании начали строить перьевидные многозабойные скважины. Среди них China United Coalbed Methane Corp. (CUCBM), CNPC, North China, CDX, Far East Energy Corporation (FEEC).

Первая многозабойная метаноугольная скважина в китае — скважина DNP02 в провинции Шаньси, бассейна киншуи (Shanxi Qinshui Basin), была пробурена в ноябре 2004 года.

Темпы бурения скважины по углю достигали 90%, самый большой угол отклонения ствола достигает 101,47°.

Скважина выполнена бурением на депрессии с применением каротажа в ходе бурения. Успех скважины DNP02 положил начало развитию добычи угольного метана в Китае.

В октябре 2005 года скважина Wu M1-1 была пробурена компанией CNPC в провинции Шаньси в бассейне Киншуи.

Скважина имеет двухпросветную структуру. При строительстве был применён ряд передовых мировых технологий, таких как кавернообразование по углю, стыковка скважин, геонавигация в процессе бурения, горизонтальные отводы, бурение на депрессии. Общая протяжённость составила 7993 м, и поставленные инженерные цели были полностью достигнуты.

В феврале 2006 года была пробурена скважина DS-01 с общей протяженностью 6526 м, в том числе по углю — 5430 м.

27 января 2007 года в метаноугольной области Паньжуанг округа Цзиньчэн (Panzhuang area, Jincheng) было завершено строительство группы из 6 горизонтальных скважин.

Это первый проект в Китае, сочетающий технические характеристики кустовых и многозабойных скважин в виде группы скважин; впервые в китае было выполнено бурение по углю в двух горизонтальных направлениях с поверхности через основную скважину.

Протяжённость по одному пласту достигает 3000 м ~ 5000 м, а темп бурения по углю достигает более 95%. В настоящее время все 6 скважин постав- лены на поток и достигли среднего уровня добычи на скважину свыше 50 000 м3, причём добыча в некоторых скважинах превышает отметку 80 000 м3, и дебиты продолжают расти [4].

Данный проект по добыче метана угольных пластов и огромный опыт других стран могут быть использованы для совершенствования технологии добычи метана в ведущем угледобывающем регионе России — Кузбассе.

Список литературы

1. Золотых С.С. От проекта «Метан Кузбасса» — к кузбасскому метану /С.С. Золотых // Вестник КузГТУ, 2010. —№6. — C. 37-39.

2. Копытов А.И. Современные методы добычи метана из угольных пластов / А.И. Копытов, М.Д. Войтов, С.М. Тагиев // Вестник КузГТУ, 2016. — №2. — C. 35-40.

3. Копытов А.И. Опыт добычи метана при разработке угольных месторождений Китая / А.И. Копытов, М.Д. Войтов, С.М. Тагиев // Вестник КузГТУ, 2016. — №3. — C. 8-14.

4. 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.

Текст: Войтов Михаил Данилович, профессор каф. СПСШиРМПИ, к.т.н.
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