Способы добычи угольного метана

Способы добычи метана из 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.

Рис. 1. Схема различных видов дегазации угольных пластов

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.

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 операций 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. Из синтез-газа получают метанол,синтетический бензин, дизельное топливо, диметиловый эфир и другие химические продукты, которые необходимы для производства полимеров.

Рис. 2. Основные направления использования и переработки метана

Метан угольных пластов — это ресурс, который становится все более значимым чистым энергоносителем, а технологии его добычи и использования — 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 надежную энергетическую базу и инфраструктуру для дальнейшего социально-экономического развития, дополнительные рабочие места и улучшить экологическую обстановку в регионе.

Статья была опубликована в журнале «Добывающая промышленность» №2-2016.

Источник

О перспективах добычи в России угольного газа

Перспективный газ

В недрах осваиваемых и перспективных угольных бассейнов сосредоточена не только значительная часть мировых ресурсов углей, но и их спутника — метана, масштабы ресурсов которого соизмеримы с ресурсами газа традиционных месторождений мира. Концентрация метана в смеси природных газов угольных пластов составляет 80–98%.

Научно обоснованная оценка роли угольных пластов как крупнейших мест накопления метана в земной коре открывает новые большие перспективы в увеличении ресурсов углеводородных газов. Метан, который является наиболее опасным спутником угля, становится ценным полезным ископаемым, подлежащим самостоятельной промысловой добыче или попутному извлечению в шахтах при комплексной поэтапной эксплуатации газоносных угольных месторождений.

Особенность разработки метаноугольных месторождений

Существуют два принципиально разных способа добычи угольного метана: шахтный (на полях действующих шахт) и скважинный.

Шахтный способ является неотъемлемой частью технологии подземной добычи угля — дегазации. Объемы получаемого метана при этом невелики, и газ используется, в основном, для собственных нужд угледобывающих предприятий непосредственно в районе угледобычи.

Скважинный способ добычи является промышленным. Метан при этом рассматривается уже не как попутный продукт при добыче угля, а как самостоятельное полезное ископаемое. Разработка метаноугольных месторождений с добычей метана в промышленных масштабах производится с применением специальных технологий интенсификации газоотдачи пластов (самые распространенные варианты — гидроразрыв пласта, закачка через скважину воздуха или воздухо-воздушной смеси, воздействие на пласт током).

Проведение гидроразрыва пласта

Следует отметить, что для добычи метана пригодны далеко не все угли. Так, месторождения длиннопламенных бурых углей бедны метаном. Высокой концентрацией газа отличается уголь-антрацит, но его невозможно извлечь из-за высокой плотности и чрезвычайно низкой проницаемости залежи. Самыми перспективными для добычи метана считаются угли, занимающие промежуточное положение между бурыми углями и антрацитом. Именно такой уголь залегает в Кузбассе, где, в рамках выполнения поручения Президента Российской Федерации, «Газпром» активно участвует в реализации инновационного проекта по добыче угольного газа.

Российские прогнозные ресурсы угольного метана

Прогнозные ресурсы метана в основных угольных бассейнах России оцениваются в 83,7 трлн куб. м, что соответствует примерно трети прогнозных ресурсов природного газа страны. Особое место среди угольных бассейнов России принадлежит Кузбассу, который по праву можно считать крупнейшим из наиболее изученных метаноугольных бассейнов мира. Прогнозные ресурсы метана в кузбасском бассейне оцениваются более чем в 13 трлн куб. м.

Карта угольных бассейнов России

Данная оценка ресурсов углей и метана соответствует глубине 1800–2000 м. Большие глубины угольного бассейна сохраняют на отдаленную перспективу огромное количество метана, которое оценивается в 20 трлн куб. м. Такая сырьевая база Кузбасса обеспечивает возможность крупномасштабной добычи метана (вне шахтных полей) как самостоятельного полезного ископаемого.

Международный опыт добычи угольного газа

Необходимость, возможность и экономическая целесообразность крупномасштабной промысловой добычи метана из угольных пластов подтверждается опытом освоения метаноугольных промыслов в США, которые занимают лидирующее положение в мире по уровню развития «новой газовой отрасли». Также промышленная добыча метана из угольных пластов ведется в Австралии, Канаде и Китае.

Современный опыт добычи угольного газа в России

До недавнего времени в России метан из угольных пластов извлекался только попутно, на полях действующих шахт системами шахтной дегазации, включающими скважины, пробуренные с поверхности. Этими системами в последние годы в Печорском и Кузнецком бассейнах извлекалось около 0,5 млрд куб. м метана в год.

В 2003 г. «Газпром» приступил к реализации проекта по оценке возможности промышленной добычи метана из угольных пластов в Кузбассе. Лицензией на поиск, разведку и добычу метана угольных пластов в пределах Южно-Кузбасской группы угольных месторождений обладает ООО «Газпром добыча Кузнецк» — первая и единственная компания в России, добывающая метан угольных пластов. Компания разрабатывает два метаноугольных промысла, площадь лицензионного отвода составляет 6 тыс кв. км до глубины 2 км, оценка ресурсов метана угольных пластов — 5,7 трлн куб. м.

Стабильный уровень добычи метана угольных пластов в Кузбассе планируется в объеме 4 млрд куб. м в год. В долгосрочной перспективе — 18–21 млрд куб. м в год.

На Талдинском месторождении в Кузбассе

Талдинское месторождение

В 2005 году на Талдинском месторождении был создан научный полигон по отработке технологии добычи метана из угольных пластов. Здесь учеными АО «Газпром промгаз» была разработана технология добычи угольного газа. На весь технологический цикл — от разведки угольного газа до его использования — получен 31 патент международного и российского образца. При этом две трети оборудования, применяющегося при реализации экспериментального проекта, — отечественного производства.

В 2008–2009 годах на восточном участке Талдинского месторождения было пробурено восемь скважин. В 2010 году началась пробная эксплуатация разведочных скважин с подачей газа на автомобильные газонаполнительные компрессорные станции . В результате пробной эксплуатации были получены необходимые параметры для перевода ресурсов метана в запасы промышленных категорий, отработаны технологии освоения скважин, сбора и подготовки газа, необходимые для разработки первоочередных участков и площадей в Кузбассе.

Разведочная скважина на Талдинском месторождении

12 февраля 2010 года «Газпром» запустил на Талдинском месторождении первый в России промысел по добыче угольного газа.

Дмитрий Медведев дает команду на пуск промысла по добыче угольного газа на Талдинском месторождении

Утвержденные запасы метана по Талдинскому промыслу составляют 74,2 млрд куб. м (в том числе 4,77 млрд куб. м категории С1 и 69 млрд куб. м категории С2). В стадии опытно-промышленной эксплуатации находятся 6 эксплуатационных скважин.

В 2014 году на Талдинском промысле было добыто 2,8 млн куб. м газа, всего с начала эксплуатации — почти 16 млн куб. м.

В декабре 2010 и феврале 2011 были введены в эксплуатацию две газопоршневые электростанции (ГПЭС), работающие на метане угольных пластов на Талдинском месторождении. Ввод двух ГПЭС позволил подать электроэнергию на подстанцию Талдинского угольного разреза, на строящиеся шахты «Жерновская-1» и «Жерновская-3», а также обеспечить электроэнергией газовые промыслы на Талдинском месторождении и Нарыкско-Осташкинской площади.

Газопоршневая электростанция на Талдинском месторождении

«Газпром» также приступил к освоению Нарыкско-Осташкинской площади Южно-Кузбасской группы месторождений. Ресурсы метана площади предварительно оцениваются в 800 млрд куб. м.

В 2014 году на этом промысле было добыто 4,5 млн куб. м газа, всего с начала эксплуатации — 9,4 млн куб. м.

Динамика добычи газа на первоочередных площадях в Кузбассе, млрд куб. м в год

Новый вид полезного ископаемого

В ноябре 2011 года метан угольных пластов был признан самостоятельным полезным ископаемым и внесен в Общероссийский классификатор полезных ископаемых и подземных вод.

Объективные причины необходимости добычи угольного газа в России

Благоприятные геологические особенности и условия газоносности угольных бассейнов в России являются объективной предпосылкой организации, прежде всего, в Кузбассе, а затем и в других угольных бассейнах, широкомасштабной добычи метана как самостоятельного полезного ископаемого.

Необходимость организации метаноугольных промыслов в Кузбассе обусловлена следующими факторами:

• наличием крупномасштабных залежей метана в угольных бассейнах России;
• наличием современных передовых эффективных технологий промысловой добычи метана из угольных пластов, широко применяемых в последние годы за рубежом;
• наличием в России научно-технического потенциала, способного координировать и осуществлять научные разработки по данной теме.

Среди регионов России, не обеспеченных в достаточном объеме газовым топливом, ряд угледобывающих регионов мог бы полностью покрыть свои потребности в газе за счет широкомасштабной добычи метана из угольных пластов. Кроме того, добыча и использование газа улучшит экологическую обстановку в углепромышленных районах, снизит газоопасность добычи угля в будущих шахтах и создаст новые рабочие места на газовых промыслах и газоперерабатывающих предприятиях.

Источник