Н.П. Агеев, к.э.н., генеральный директор, Группа компаний «Новас» – «Георезонанс» – компании резиденты Государственного Фонда «Сколково»;
П.Г.Агеев, зам. генерального директора по науке, разработчик методики ПИВ;
А.С. Десяткин, к.г.-м.н., главный инженер проектов; Г.А. Елсуков, главный технолог.
В журнале «Горная Промышленность» No1 (119)/2015 опубликована статья, в которой рассматривался возможный «запускающий механизм» газодинамических процессов, ведущих к неожиданным выбросам газа и породы в рабочее пространство шахт при любых подземных работах, а также обосновывалась необходимость применения технологии плазменно-импульсного воздействия (ПИВ) для заблаговременной дегазации угольных пластов. С целью создания широкой сети микротрещиноватости в угольном пласте для увеличения проницаемости и, следовательно, улучшения условий для максимальной десорбции метана предлагалось использовать «Идеальный нелинейный плазменно-импульсный источник направленных, управляемых периодических широкополосных колебаний» (Генератор ПИВ), который устанавливает нелинейную зависимость с «природным многослойным нелинейным модулем объемной упругости, содержащим неравновесную, диссипативную динамическую систему (уголь - вода - газ)».
Особенностью применения технологии ПИВ является отсутствие техногенного вмешательства в напряженно-деформационное состояние угольных пластов, как это имеет место, например, при проведении ГРП (гидроразрыва пласта) или гидрорасчленении, и даже наоборот, периодическое широкополосное плазменно-импульсное воздействие, создавая сжимающие и растягивающие напряжения, улучшает проницаемость угольного пласта без изменения физико-механических свойств и качественных характеристик угля. Ранее отмечалось, что при ПИВ, за счет снятия поверхностного натяжения в порах, трещинах, капиллярах, легкие фракции замещали более тяжелые, что вело к сокращению пористости и увеличению проницаемости.
Чтобы подтвердить или опровергнуть заявленные возможности технологии ПИВ и совершенствовать методику воздействия, в марте – мае 2015 г. в рамках НИОКР были проведены опытно-промышленные работы (ОПР) по пассивному микросейсмическому мониторингу на площади более 40000 м2 в двух из 4 дегазационных скважин, пробуренных в куполах обрушения разрабатываемой лавы. Расстояние между ними составили: 200 м между А-1 и А-2; 400 м между скважинами А-1 и А3, и А-2 и А-4 соответственно. Во всех скважинах проводилось плазменно-импульсное воздействие по специально подобранной методике с целью увеличения проницаемости, а следовательно, создания условий для десорбции метана как с сорбированных поверхностей, так и из закрытых пор (вакансий) в кристаллической решетке угля. Кроме того, необходимо было определить радиус зоны воздействия (сейсмические события), что позволит в перспективе выбрать оптимальное расстояние бурения скважин в куполах обрушения и проведения в них ПИВ.
Выбор для исследования процесса и результатов ПИВ пассивного микросейсмического мониторинга связан с тем, что он не требует мощных источников зондирующих сигналов, а использует постоянно существующие слабые сейсмические поля искусственного или естественного происхождения.
Поскольку сейсмическая эмиссия возникает в геологической среде за счет релаксации упругих напряжений спонтанными деформациями среды, часто связанными с нарушением сплошности , физические основы технологии пассивного микросейсмического мониторинга вполне соответствовали эффектам (сжимающие и растягивающие напряжения), инициируемым плазменно-импульсным источником колебаний.
Процесс изменения упругих напряжений связан как с естественными факторами, в основном обусловленными геодинамикой среды (тектонические движения, осадконакопление, лунно-солнечная активность и т.д.), так и с влиянием различных техногенных экзогенных и эндогенных воздействий. Эмиссия, возникающая в результате техногенного воздействия, – это ответная реакция среды, которая называется наведенной сейсмоакустической активностью.
Таким образом, цель ОПР заключается в определении областей микросейсмической активности в процессе проведения ПИВ в разное время в четырех скважинах, пробуренных в куполах обрушения и находящихся друг от друга на расстоянии 200 и 400 м соответственно. Сами угольные пласты представлены переслаиванием песчано-глинистых пород с пластами и многочисленными пропластками угля. Площадь, на которой производилось воздействие, представляет собой практически идеальную моноклиналь с углом падения 9–12° на юго-восток. Реперные точки в скважинах по вертикали составляют разницу в 80 м.
Одновременно в скважинах во время ПИВ проводился видеокаротаж. Для этого до зеркала свободной поверхности воды на кабеле опускалась цифровая видеокамера, которая фиксировала в режиме реального времени процесс восстановления уровня жидкости, что свидетельствовало о связи скважин с пластом и отражалось на мониторе, находящемся на дневной поверхности рядом с устьем скважины.
В результате видеокаротажа, был зафиксирован рост гидродинамического уровня в двух разных по глубине скважинах после выхода из бурения и обсадки, – с 75 до 65 м и с 67 до 45 м соответственно, с активным выделением пузырьков газа, что свидетельствовало об истинном пластовом давлении и притоке газированной воды из пластов, на которые оказывалось плазменно-импульсное воздействие.
Регистрация микросейсмической эмиссии осуществлялась с помощью площадной системы наблюдений – сейсмической антенны на базе 28 трехканальных сейсмических станций SCOUT (разработка ОАО «СКБ Сейсмического Приборостроения»), которые были установлены в области проекции горизонтального участка ствола скважин на дневную поверхность.
За период наблюдений с 23 марта по 04 мая 2015 г. получено более 232 Гбайт информации. Обработка данных микросейсмического мониторинга, проводимого в процессе ПИВ и после воздействия, выполнена специалистами АО «Техобраз».
Приведена общая карта распределения источников микросейсмических эмиссий с учетом величины достоверности выделенных источников сейсмических событий и определены их основные параметры: координаты в пространстве; время события; частотные характеристики; средняя скорость распространения сейсмических волн от источника до сейсмической антенны.
Для уменьшения влияния поверхностных волн и техногенного шума все датчики сейсмической антенны были установлены в шурфах глубиной до 0.5 м, которые закрывались и засыпались слоем до 0.1 м из местного грунта. Общее число точек наблюдения сейсмической антенны равнялось 84, а интервалы между ними составляли 20–30 м. Апертура сейсмической антенны составляла 800 м с севера на юг и 600 м с запада на восток. Частотная оцифровка кГц (период дискретизации 1 мс).
В скважине А-1, расположенной в верхней части уклона было проведено 703 плазменных импульса.
Антенна зафиксировала сигналы микросейсмической активности на месторождении от искусственного источника излучения, которые на спектрально-временной диаграмме колебались в диапазоне от 35 до 4 Гц.
Известно, что фундаментальный период резонансной частоты свободных колебаний Земли находится в пределах 58–60 с, а фундаментальная частота колеблется в пределах от 0,2 до 10 Гц и выше, в зависимости от геологических характеристик горной породы. Следовательно, выявленные периодические широкополосные сигналы одинаковой мощности, разнесенные на одинаковые отрезки времени от источника ПИВ, как раз попадали в диапазон фундаментальных частот, инициируя сдвиговые, поперечные колебания.
В результате интерпретации были составлены карты зарегистрированных микросейсмических событий и плотности энергии микросейсмической эмиссии в проекции на дневную поверхность. В первом случае, при исследовании ПИВ в скважине А-1, общее количество событий соответствовало количеству импульсов. Энергия эмиссии метана из угля и создания микротрещин составила 3004 кДж. Энергия максимальных сдвиговых напряжений составила 1950 кДж, энергия сжатия 42,88 кДж, энергия отрыва 35,83 кДж.
Карта построена в проекции на горизонтальную плоскость (Х – Запад-Восток; Y – Север-Юг). Цветность указывает плотность накопленной энергии микросейсмических событий. Оси координат в метрах, значения на осях показывают расстояние относительно устья скважины No1 (точка белого цвета).
Наибольшая плотность энергии микросейсмических событий наблюдалась под сейсмической антенной, в районе забоя скважины А-1. Область микросейсмической активности имеет эллипсовидную форму с преимущественным направлением развития на юго-западпо азимуту 225є. Примерные линейные размеры области микросейсмической активности составляют 1500 м в направлении с севера на юг и 1250 м в направлении с запада на восток.
Интересные результаты были получены при проведении микросейсмического мониторинга ПИВ на скважине А-3, которая отличалась в сторону увеличения по глубине от скважины А-1 более чем на 100 м с учетом реперных точек. В этой скважине было инициировано 1180 периодических широкополосных импульсов.
Также были составлены карты микросейсмических событий и плотности микросейсмической энергии в проекции на дневную поверхность.
Энергия эмиссии метана из угля составила 2215 кДж, энергия максимальных сдвиговых напряжений 1446 кДж, энергия сжатия 19,1 кДж, энергия отрыва 18,16 кДж.
Наибольшая плотность энергии микросейсмических событий наблюдалась под сейсмической антенной, в районе забоя скважины. Область микросейсмической активности вытянулась с севера на юг. Примерные линейные размеры области микросейсмической активности составляют порядка 1350 м в направлении с севера на юг и 1000 м в направлении с запада на восток.
Все показатели: затраты энергии и зона влияния – во втором случае оказались ниже чем в первом. Очевидно, это связано с тем, что интерпретированы были только 326 импульсов вместо 1180.
Процентное соотношение суммарных энергий максимальных отрывных напряжений 78.70 кДж для скважины No1 и 37.27 кДж – для скважины А-3 от энергий максимальных сдвиговых напряжений 1950.60 кДж и 1446.49 кДж микросейсмических событий соответственно показали соотношение энергий, потраченных на открытие/закрытие трещин к общей энергии. Как можно видеть, энергия, потраченная на открытие/закрытие трещин, составила всего 4% от общей сейсмической энергии.
Достаточно трудно объяснить такой феномен. Однако мы неоднократно отмечали, что при применении ПИВ в нефтяных скважинах наряду с получением положительных эффектов наблюдался дополнительный рост динамического уровня через 3 месяца после воздействия, что может свидетельствовать о продолжительности процесса заданной самомодуляции. Кроме того, нельзя исключать, что плазменно-импульсное воздействие в скважине А-3 проводилось через 10 дней после аналогичного воздействия в скважине А-4, которая находилась на той же площади. Учитывая длительность синхронных колебаний и процесса самомодуляции, предыдущие заданные колебания просто гасились последующими, которые инициировались и исследовались в скважине А-3.
Однако, забегая вперед, следует сказать, что именно скважины А-3 и А-4, попавшие в зону влияния большего количества инициированных плазменных импульсов, стали более активно отдавать метан. Достаточно сказать, что затрубное давление в скважинах выросло до 10 атм, когда до кровли пласта оставалось 110 и 140 м соответственно, а отбираемая вода была насыщена газом, который в объеме насоса занимал не менее 10–12%.
Согласно анализу, за период наблюдений процесс уменьшения объема преобладал над процессом увеличения объема, а процесс закрытия трещин соответственно преобладал над процессом их раскрытия. Иными словами, легкая фаза (газ) переходила в свободное состояние из пор, трещин и капилляров, что приводило к уменьшению объема, с одновременным раскрытием закрытых пор и трещин и развитием сети микротрещин в твердом растворе внедрения (угле). Об этом красноречиво свидетельствуют показатели энергии эмиссии метана из угля, в первом случае 3004 кДж и 2215 кДж – во втором.
В целом, можно с достаточной долей уверенности констатировать, что наблюдение за кинематическими и динамическими характеристиками области микросейсмической активности в районе установки системы наблюдений свидетельствует об увеличении проницаемости по пластам на значительное расстояние по площади, которая равняется более чем 1 км2.
В результате все 4 скважины оказались связаны единой системой фильтрационных каналов, а в сформированной воронке происходила активная десорбция метана, значительная часть которого перешла в свободное состояние.
Выводы:
Сейсмические и геофизические исследования подтвердили заявленные возможности технологии плазменно-импульсного воздействия при применении в продуктивных пластах углеводородов, в частности, в угольной залежи.
При плазменно-импульсном воздействии сформировалась общая воронка, в которой 4 скважины оказались связаны между собой, и при изменении режима работы на одной скважине остальные немедленно реагировали в виде колебаний динамических уровней либо в виде роста затрубного давления.
Можно предварительно предположить, что развитие аномальной сети микротрещиноватости после применения ПИВ в угольных пластах на большой площади позволит в перспективе скорректировать сетку и время строительства дегазационных скважин в куполах обрушения, заблаговременно дегазировать угольные пласты либо понизить содержание метана в угле до безопасного уровня, а извлекаемый метан утилизировать в интересах шахты.
Несомненна в перспективе положительная экономическая составляющая, а именно минимизация расходов на дегазационные мероприятия и осушение пластов, ускорение проходки комбайна, утилизация извлекаемого метана (чистота 95–98%) для выработки электроэнергии и тепла и, следовательно, как результат – снижение себестоимости добываемой угля.
В заключение следует сказать, что конструкция скважин, их строительство, а также режим их эксплуатации – отдельный предмет для рассмотрения.