Технологии за извличане на въглищен метан

Един от методите за осигуряване на горива от нетрадиционен източник, добиващ все повече популярност, е CBM (coalbed methane - метан от въглищни пластове). Методът намира приложение във въглищни пластове, залягащи на по-голяма дълбочина, където минната технология за добиването им е трудноприложима. За извличането на въглищен метан се използват различни технологии, като целта на всяка една от тях е повишаване на проницаемостта на въглищния пласт. Комбинираното използване на различните технологии осигурява високи дебити от газ за сравнително дълъг период от време.

В световен мащаб все повече средства се инвестират в добива на горива от нетрадиционни източници. Към нетрадиционните източници се отнасят: газохидратите, остатъчните запаси от нефт в находищата, метанът от въглищните пластове, битумолитите, водоразтвореният газ. За някои от тези източници се инвестират средства за създаване на технология за добив, други вече са намерили приложение и задоволяват част от потребностите на гориво. Особено внимание се обръща на добива на сорбиран метан от въглищни пластове.

Метанов потенциал на въглищните басейни

При изучаване на метановия потенциал на въглищните басейни е нужно изясняване на тектонските условия и площната издръжливост на въглищните пластове. Необходимо е изясняването на хидрогеоложките условия с цел изучаване на зоните с повишена минерализация на подземните води. Тези зони са индикатор за изолирана хидродинамична система, в която количествата сорбиран газ са с високо съдържание.

За изучаването на въглищните пластове е нужно да се изяснят следните условия: фиксиране на изолирана хидродинамична система; високо газосъдържание на въглищния пласт; оценка на водния ресурс; оценка на площта, следваща да бъде дренирана (т.е. количеството вода, което следва да се добие за извличане на метановия ресурс); изясняване на физическите параметри на пластовете (проницаемост, пукнатинна вместимост); сорбционна способност на пластовете, съгласно сорбционната крива на лангмур; пепелност, ранг, тип и дълбочина на залягане на въглищата.

Газосъдържанието във въглищните пластове варира в различни граници и е функция от състава на въглищата, дълбочината на залягане, историята на геоложко развитие на басейна и миграция на газа. Счита се, че въглищата, богати на витринит и липтинит, могат да генерират големи количества газ. Битуминозните въглища са основна цел при търсенето на въглищен метан. Движението на флуидите във въглищните пластове се контролира от процеса на дифузия.

Свободен и сорбиран метан

За разлика от традиционните резервоари, въглищните пластове играят ролята на генериращи, изолиращи и вместващи скали. Въглищните резервоари са представени единствено под формата на пластове, съдържащи ортогонални пукнатини, които са с надлъжна и/или напречна ориентация спрямо напластяването.

Метанът във въглищните пластове съществува в две състояния - свободно и сорбирано. Той е продукт на естествената въглефикация. Генерирането му протича под влиянието на термобаричните условия в земните недра и се изразява в преобразуване на въглищното вещество на молекулно ниво. В резултат на тази трансформация се отделя метан, който се натрупва в пластовете или мигрира във вместващите скали-колектори. Част от газа е физически свързан с органичното вещество, а друга е под формата на свободен газ в пукнатините и порите. С увеличаване на дълбочината на залягане на въглищните пластове нараства температурата и, съответно, доминираща роля имат геохимичните процеси.

В процеса на изучаване на възможностите на въглищните пластове за отдаване на сорбиран метан е нужно използването на редица методи - геоложки, сондажни, геофизични и лабораторни. Необходима е интерпретация на комплекса от изследвания, които да включват характеристични параметри на въглищния пласт като: дебелина; площна издържаност; структурно положение; газосъдържание; налягане; проницаемост.

При изучаването на въглищните басейни е необходимо провеждането на 3D сеизмични проучвания. Поради тяхната висока разрешаваща способност (в рамките на 1 m) могат да бъдат получени данни за микротектониката на басейна, което е от особено важно значение за извличането на въглищен метан.

При прокарването на сондажи е необходимо прилагането на подходящ комплекс от каротажни изследвания, който да е съобразен с изискванията при изучаване на въглищни пластове. Най-широко приложение намира сравнително новият метод, наречен Микрофокусираща сканираща система (FMI - Fullbore Formation Micro-Imager). Методът дава възможност да се идентифицират надлъжните и напречните пукнатини, наклоните и простирането на пластовете.

Ядковото сондиране е задължителен елемент в процеса на изучаване на метановия потенциал на въглищните пластове и особено с насочеността си за изучаване в лабораторни условия на параметрите за подбор на подходящи технологии за извличане на метан. Тези параметри са: газосъдържание на въглищните пластове; стойности на сорбинната крива на Лангмур; време за адсорбция на реагента; време за десорбция на реагента; влажност на въглищния пласт; пепелно съдържание на въглищния пласт; порестост на въглищния пласт; проницаемост на въглищния пласт.

Технологии за извличане на метан от въглищни пластове

Съществуват няколко технологии за извличане на метана от въглищните пластове: чрез дрениране на въглищните пластове; чрез нагнетяване на СО2 ; чрез нагнетяване на N2.

Тези технологии за извличане на метана от въглищните пластове са насочени към физически свързан газ. За освобождаването на този газ са правени серия от изследвания в различни типове въглищни басейни.

При прилагането на тази технология се цели да се увеличи проницаемостта на въглищните пластове. Поради факта, че въглищата имат много малка проницаемост, икономически целесъобразното извличане на въглищния метан може да бъде реализирано в напукани зони, характеризиращи се с по-висока проницаемост. Поради ниската проницаемост хидравличната интервенция върху пластовете е задължителен процес за ефективен добив. Световният опит показва, че съществено влияние върху метаноотдаването оказва също така последователното нагнетяване на различни реагенти.

За момента най-широко приложение намира технологията на дрениране на въглищните пластове. При нейното прилагане се прокарват сондажи, чиято цел е снижаване на пластовото налягане до критични стойности. Това предизвиква десорбиране на въглищния газ. Тестове, свързани с приложението на този тип технология, се наричат FALL OF TEST (или тест при спадане на налягането). Голяма част от сондажите, предназначени за добив на въглищен метан, добиват значително количество вода и малки обеми от газ. В даден етап от време на добива обемите вода намаляват за сметка на увеличения обем добит газ. Газът, които се отделя, е разтворен във водата и следва да се сепарира. Първоначално следва да се извлече голямо количество вода, за да започне метаноотдаване. Обикновено, за да започне метаноотдаване от един въглищен пласт с проницаемост около 5 mD и дебит на вода под 1 l/sec, е необходимо дрениране в продължение на 1 година. След започване на метаноотдаването сравнително бързи се реализира висок добив, който спада във времето.

При прилагането на технологиите с нагнетяване на азот или въглероден диоксид се цели увеличаване на метаноотдването. След нагнетяването на реагента стартира процес на адсорбция във въглищния пласт. По предварително изучени в лабораторни условия проби са определени стойности на параметрите на сорбционна метаноемкост, време за адсорбция и десорбция. Счита се, че времето, необходимо за адсорбция на регента и десорбция на газа, е около 1 месец. Разликата между двете технологии, свързани с нагнетяване на различни реагенти, се изразява в продуцираните количества газ. При използването на азот се реализират високи дебити, но за кратък период от време. При нагнетяването на въглероден диоксид се постигат по-малки дебити, които остават фиксирани за по-дълъг период от време.

Типове сондажи

В зависимост от технологията, която ще бъде избрана за извличане на въглищен метан, следва да се прокарат различни типове сондажи. В последните години все по-голяма популярност придобиват хоризонталните сондажи. При тях се просондират серия от хоризонтални участъци във въглищния пласт. По този начин се покрива максимално въглищният пласт, осигурява се по-голяма площ за дрениране и се спестяват средства, тъй като сондажната площадка е само една. При прокарване на хоризонталните участъци се използва т. нар. небалансирано сондиране, т. е. налягането на промивната течност не бива да превишава пластовото налягане. По този начин се предпазва пластът от навлизане на флуид в пукнатинната система на резервоара. Сондажи с хоризонтални участъци намират приложение при използването на технологията на дрениране на въглищните пластове.

При прилагането на технологиите, свързани с нагнетяването на реагенти, се използват вертикални сондажни изработки. Те се разполагат в равномерна квадратна мрежа, като в центъра се намира нагнетателният сондаж. Чрез симулационни модели, съобразени с физичните параметри на въглищния пласт, се определя зоната на проникване на реагента и по този начин се фиксира разстоянието между отделните сондажи. Така се избягва проникване на реагенти в някои от добивните сондажи. След като реагентът бъде адсорбиран, започва процес на десорбция на метана. Негативите при използването на технологии, свързани с нагнетяването на реагент посредством един нагнетателен сондаж и няколко добивни в съседство, са свързани с високата капиталоемкост на този процес. Нужно е изграждането на няколко сондажни площадки. Всеки един от добивните сондажи следва да се свърже с тръбопровод до сепараторна станция. Нагнетателните сондажи се оборудват със сложна и скъпоструваща апаратура.

Използването на комбиниран подход при технологиите за извличане на метан от въглищните пластове може да гарантира високи дебити за по-дълъг период от време. Ако например се използва технология за дрениране на въглищния пласт посредством хоризонтални сондажни изработки и паралелно с това в някои от хоризонталните участъци се нагнетява реагент, то могат да се достигнат високи дебити от газ, които с помощта на реагента ще се задържат за по-дълго време.

След прокарването на сондажите следва да се направи интервенция на пласта с цел повишаване на неговата проницаемост. В последно време широка популярност добива пулсовата перфорация, която с помощта на ултразвук повишава напукаността и, съответно, проницаемостта на пласта.

Въглищният метан е ресурс, които следва да бъде оползотворен и неговото извличане в последните години предизвиква все по-голям интерес. Използването на различни видове технологии за извличане може да осигури и различни дебити от газ за различни периоди от време. Комбинираното използване на технологията за дрениране на въглищния пласт с тези, свързани с нагнетяване на реагенти, може да осигури висок и стабилен добив във времето. Фактът, че въглищните пластове усвояват добре (сорбират) въглеродния диоксид, дава съществено предимство на прилагането на тези технологии поради нарастващото безпокойство от парниковия ефект, предизвикан от главоломно растящите вредни емисии в атмосферата, в това число и въглероден диоксид.

По материали на Димитър Мерачев, Овергаз Инк.