Голубое топливо из угольных разрезов

Южноафриканская электростанция Majuba, работающая на метане, полученным путем газификации угля. Фото с сайта www.escom.co.za

Победное шествие нефтегазовой отрасли с унынием наблюдают жители моногородов, построенных вблизи угольных месторождений. Есть, однако, для них альтернатива в виде добычи газа из хорошо изученных ими угольных толщ, генерирующих этот газ. Оказалось, что в углях, подвергнутых метаморфизму (влиянию высоких давлений и температур), газ может образовываться в количествах, представляющих промышленный интерес. Сейчас, когда угольная промышленность уступила первые места нефтегазовому комплексу, «чистое» топливо в виде газа, содержащегося в угольных разрезах, привлекает все больший интерес. Метан, продолжительное время рассматривавшийся в качестве опасного спутника угля, стал ценным полезным ископаемым, подлежащим самостоятельной промысловой добыче или попутному извлечению в шахтах при комплексной поэтапной эксплуатации газоугольных месторождений.

Содержание газа

в угольных толщах

1 т каменного угля в процессе метаморфизма генерирует до 250 куб. м газа. Газы каменноугольных месторождений включают до 95% метана, тяжелые углеводороды (этан, пропан, бутан), водород, углекислый газ и азот. Источником углеводородных газов является сам уголь. Газ содержится в концентрированной (в угольных пластах), а также рассеянной во вмещающих породах формах.

Мировые запасы метана угольных пластов превышают запасы природного газа и оцениваются в 260 трлн куб. м. Наиболее значительные ресурсы сосредоточены в Китае, России, США, Австралии, ЮАР, Индии, Польше, Германии, Великобритании и Украине.

Угольные бассейны вполне можно рассматривать не только как угольную базу топливно-энергетического комплекса, но и как гигантский источник углеводородного сырья. К примеру, прогнозные ресурсы метана в залежах свободного газа в Кузбассе оценивают в 80–130 млрд куб. м. С учетом сорбированного в угольных пластах метана общие ресурсы метана в Кузбассе до глубины 1800 м оценивают в 13 085 млрд куб. м. Здесь преобладают структуры площадью до 100 кв. км с прогнозными ресурсами свободных газов от 1 до 3 млрд куб. м. В более крупных структурах ресурсы газа достигают 4–7 млрд куб. м. Метаноугольные залежи рассматривают как группу разрозненных и разобщенных скоплений свободных газов в зонах повышенной трещиноватости угленосных отложений, суммарный объем которых достигает величин, соизмеримых с газовыми месторождениями.

Суммарная мощность газопродуктивных угольных пластов в Кузбассе достигает 95–105 м при метаноносности до 30 тыс. куб. м в сутки. Здесь возможна добыча метана из 4–6 продуктивных угольных пластов со средними дебитами в течение 10–15 лет, равными 20–40 тыс. куб. м в сутки.

Ископаемый уголь представляет собой осадочно-органогенное образование, содержащее 50–70% углерода в бурых углях и 70–90% в антрацитах. Угольные пласты залегают в угленосных отложениях, представленных ритмичным чередованием песчано-глинистых пород – алевролитов, аргиллитов, мелкозернистых песчаников. Основным фактором газоносности аргиллитов и алевролитов является сорбционная метаноемкость, песчаников – пористость. Наиболее вероятным типом ловушек метана в Кузбассе считают тектонические ловушки, образуемые зонами трещиноватости (трещинные коллекторы, порово-трещинные коллекторы).

Зарубежный опыт

В США рассматривают угольные пласты как нетрадиционные газовые коллекторы. Нефтепромышленники этой страны довели в 2007 году добычу метана из угольных пластов до 60 млрд куб. м в год. В этой отрасли работает около 200 американских фирм.

Целевые показатели добычи метана из угольных пластов в Китае составляют: 10 млрд куб. м в 2010 году, 30 млрд куб. м в 2015 году, и 50 млрд куб. м было намечено к 2020 году.

В Австралии технологии извлечения газа на шахтах и вне горных предприятий разрабатывались параллельно с США, и некоторые компании успешно ведут разработку метана уже с середины 1990-х годов. Добыча метана ведется горизонтальными скважинами, пробуренными по пласту на расстояние до 1500 м. Газ поступает на очистительную фабрику, где обезвоживается, сжимается и далее по газопроводу высокого давления поступает в населенные пункты.

В Китае ресурсы метана угольных пластов составляют до 35 трлн куб. м. Интерес к извлечению метана из угольных пластов стал здесь проявляться с 1990-х годов. К 2010 году здесь планировалось увеличить годовую добычу до 10 млрд куб. м.

В Канаде работы по извлечению метана проводятся в провинции Альберта. Канадский газовый комитет прогнозирует, что метан угольных пластов, ресурсы которого составляют около 8 трлн куб. м (ресурсы традиционного газа в стране – 5 трлн куб. м), в будущем станет основным видом добываемого газа в ряде районов Канады.

Необходимость, возможность и экономическая рентабельность крупномасштабной добычи метана из угольных пластов убедительно подтверждается зарубежным опытом. Американские эксперты считают, что это направление будет неуклонно развиваться, и к 2020 году мировая добыча метана из угольных пластов достигнет 100–150 млрд куб. м в год. В перспективе же промышленная добыча шахтного метана в мире может достигнуть 470–600 млрд куб. м, что составит 15–20% мировой добычи природного газа.

Сжатый до 20 МПа угольный метан давно используют в качестве моторного топлива для автомобилей. Уже в 1990 году в США, Италии, Германии и Великобритании на угольном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей. В Великобритании его широко используют в качестве моторного топлива для рейсовых автобусов в угольных районах страны. Некоторые оценки токсичности газобалонных автомобилей показали, что при замене бензина на угольный метан выброс токсичных составляющих в окружающую атмосферу снизился по оксиду углерода в 5–10 раз, углеводородам – в 3 раза, окислам азота – в 1,5–2,5 раза в зависимости от типа автомобиля.

Весьма перспективно использование угольного метана в химической промышленности. Из него получают сажу, водород, аммиак, метанол, ацетилен, азотную кислоту, формалин и различные компоненты, являющиеся основой для производства пластмасс и искусственного волокна. К примеру, в Китае работает крупный сажевый завод, потребляющий 150 тыс. куб. м угольного газа в сутки, что дает более 10 т сажи. В Японии из угольного метана получают аммиак, а из него – карбамид.

Огромные ресурсы угольного газа в России, мировой опыт, технологии и имеющееся оборудование для добычи и использования угольного метана позволили бы ему в ближайшем будущем занять достойное место в топливно-энергетическом балансе страны. Существенно, что масштабная добыча угольного метана в США, Австралии и Китае началась после того, как эти государства стали стимулировать соответствующие проекты, предоставив значительные налоговые льготы компаниям, занявшимся извлечением газа из угольных пластов.

Поиски газоугольных

месторождений

Существенная дифференциация физических свойств метаноугольных залежей и вмещающих их угленосных толщ позволяет успешно картировать угленосные породы при помощи геофизических методов. Для этого применяют сейсморазведку, гравиразведку и электроразведку, а также геофизические исследования в скважинах.

К сожалению, исследования возможностей разведочной геофизики при поисково-разведочных работах непосредственно метаноугольных залежей практически не проводились. Это обусловлено тем, что метаноугольные залежи представляют собой сравнительно новый тип геологического объекта для методов разведочной геофизики, поскольку метан в угленосных отложениях находится главным образом в сорбированном состоянии. Скопления же свободного метана в виде ловушек углеводородов, представляющих промышленный интерес, образуются в основном лишь после гидроразрыва пластов в зонах повышенной трещиноватости.

В целом сейсморазведка остается ведущим геофизическим методом как для картирования тектонических нарушений и дислокаций угольных пластов, так и для выделения метаноугольных залежей.

Принципиальная схема газификации угля. Рисунок Михаила Митина

Особенности технологий добычи газа

из газоугольных толщ

Газоносные угольные пласты отличаются от обычных пластов-коллекторов природного газа рядом особенностей. Но основное отличие состоит в необходимости отбора воды и механизме удержания газа. Газоемкостные свойства большинства нефтегазовых коллекторов связаны с пористостью, поскольку газ содержится в поровой системе пласта. Уголь же характеризуется умеренной внутренней пористостью, но при этом может удерживать в несколько раз больше газа, чем равный объем песчаника при том же давлении. Газоемкость определяется главным образом степенью углефикации.

В процессе углефикации удаляется вода, объем матрицы пласта уменьшается и образуются системы трещин – кливаж. Геометрия кливажа, как система естественной трещиноватости, имеет большое значение, так как она служит базой для основного механизма проницаемости.

Добыча газа из угольных пластов обычно требует обезвоживания пласта для снижения пластового давления. Это снижение способствует выделению свободного газа, что повышает газопроницаемость угля и облегчает поступление газа в ствол скважины. Добытую воду утилизируют путем ее закачки в более глубокие горизонты или путем сброса на поверхность после соответствующей очистки. Газ из угольного пласта отделяется от воды и поднимается на поверхность в кольцевом пространстве между обсадной колонной и насосно-компрессорной колонной. Скважины для добычи газа обычно характеризуются низкими дебитами. Для их повышения применяют гидравлический разрыв пласта (ГРП), достигая тем самым повышения сообщаемости кливажа и естественных трещин с забоем. При высокой естественной проницаемости угольных бассейнов (свыше 100 мД) интенсификации притока в виде ГРП не требуется.

Обезвоживания скважин для добычи газа из угольных пластов может и не потребоваться, если это было выполнено при прошлой добыче, а также при удалении воды в процессе горных работ.

Горизонтальные стволы, которые бурят на угольные пласты до начала добычи угля для понижения концентрации находящегося в них метана, могут использоваться в качестве эффективных каналов добычи газа из тех же пластов.

Горизонтальное бурение наиболее эффективно в условиях высокоанизотропного коллектора, когда существует возможность ориентирования скважины под прямым углом к направлению трещиноватости. Тем самым максимизируется добыча газа. Для высокоанизотропных коллекторов эта технология более эффективна, чем технология ГРП.

Еще одна технология, направленная на интенсификацию газоотдачи, – это пневмогидродинамическое воздействие на угольные пласты с образованием в них каверн. Эта технология сопоставима с ГРП, однако в ней идет образование и трещин, и полостей (каверн). Метод кавернообразования заключается в периодически повторяющихся циклах введения водо-воздушной смеси в ствол скважины. Увеличение давления с последующим резким сбросом может вызвать обрушение угля вокруг ствола скважины из-за сил растяжения. Трещины растяжения, ориентированные в разных направлениях, увеличивают дебит газа в скважину.

Методы разработки определяются характеристиками угля и геологическим строением газоносного пласта. Для выбора оптимальной технологии добычи газа часто используют данные моделирования угольных пластов. Соответствующие программы моделирования включают в себя модули, позволяющие оценить газоносность угольных пластов. При этом вначале вычисляют объемы угля, исходя из мощности угольных пластов и их площадного распространения, а затем рассчитывают запасы газа экстраполяцией на угольные пласты данных анализа керна и каротажа.

Газоугольная

промышленность России

в действии

Добыча газа из угольных пластов является инновационным направлением, имеющим общегосударственное значение. Промышленная добыча метана по существу создала новую газовую подотрасль, позволившую повысить безопасность подземной добычи угля, создать более надежную энергетическую базу. В угольных районах тем самым формируется инфраструктура для поддержки социально-экономического развития, создаются дополнительные рабочие места и улучшается экологическая обстановка.

На территории России наиболее газоносными являются пласты угля Воркутинского месторождения и Кузнецкого бассейна. Несмотря на очевидную перспективность, практика использования шахтного метана как энергетического топлива в России находится на уровне 5–10% от общего объема дегазации, хотя ежегодно из угольных шахт извлекается и выбрасывается в атмосферу более 1 млрд куб. м.

Ранее в России шахтный метан в небольших объемах (47 млн куб. м) использовался лишь в Печорском бассейне, притом что ресурсы метана в угольных бассейнах оцениваются десятками триллионов кубометров.

До начала нынешнего столетия в России метан из угольных пластов извлекался лишь попутно, на полях действующих шахт системами шахтной дегазации, которые включали скважины, пробуренные с поверхности.

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

Благоприятные геологические особенности и условия газоносности угольных бассейнов в России явились объективной предпосылкой организации широкомасштабной добычи метана как самостоятельного полезного ископаемого. Первой и пока единственной компанией в России, добывающей метан угольных пластов, является ООО «Газпромдобыча Кузнецк». Эта компания включает два метаноугольных промысла и находится в городе Кемерово. Она владеет лицензией на добычу метана и других углеводородов. Площадь лицензионного участка составляет 6 тыс. кв. км. Работы проводятся до глубины 2 км, оценка ресурсов метана угольных пластов – 5,7 трлн куб. м. Всего с начала эксплуатации здесь добыто 63,9 млн куб. м газа. На Талдинском промысле добыли 22,2 млн куб. м, на Нарынско-Осташкинском – 41,7 млн 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.

В 2005 году на Талдинском месторождении был создан научный полигон по отработке технологии добычи метана из угольных пластов. Здесь была разработана оригинальная технология добычи угольного газа. На весь технологический цикл – от разведки угольного газа до его использования – получены десятки международных и российских патентов. Существенно, что при этом две трети оборудования, применяющегося при реализации экспериментального проекта, – отечественного производства.

В 2010–2011 годах были введены в эксплуатацию две газопоршневые электростанции (ГПЭС), работающие на метане угольных пластов на Талдинском месторождении. Ввод этих двух ГПЭС позволил подать электроэнергию на подстанцию Талдинского угольного разреза, на строящиеся шахты, а также обеспечить электроэнергией газовые промыслы на Талдинском и Нарынско-Осташкинской площади.

В 2018 году ООО «Газпромдобыча Кузнецк» стало обладателем патента на изобретение «Способ проведения исследований метаноугольных скважин с использованием оптоволоконного кабеля». С внедрением данного изобретения становится возможным эффективно проводить постоянный мониторинг температуры вдоль всего ствола скважины одновременно с регистрацией забойного давления. Его применение позволит определить величины депрессии, наличие и величину зарегистрированных температурных аномалий и выявлять наиболее продуктивные интервалы для последующего проведения гидроразрыва угольных пластов, а также для выбора других перспективных объектов.

Ряд угледобывающих регионов России, не обеспеченных в достаточном объеме газовым топливом, вполне может покрыть свои потребности в газе путем широкомасштабной добычи метана из угольных пластов.