Геотехнология "Вулкан"

(рабочая версия)

Дата разработки: 1988-89гг.

Технология предназначена для промысловой добычи метана из неразгруженных от горного давления угольных пластов на больших глубинах. При вскрытии скважиной полого залегающих угольных пластов, основное ее назначение - создать в угольном пласте каверну (полость) максимальных размеров. При вскрытии скважиной круто залегающих угольных пластов, ожидается непрерывная длительное время добыча сильно измельченного угля, в виде водоугольной суспензии (ВУС), и метана, без примеси воздуха, исключительно за счет энергии управляемого выброса угля и газа (управляемой псевдореакции саморазложения угольного пласта на твердую и газообразную компоненты под действием горного давления из массива в скважину). ВУС, после глубокого обогащения, перекачивается по трубопроводу и сжигается в котлоагрегатах тепловой электростанции. Метан может утилизироваться отдельно самостоятельно. Полная герметичность системы позволяет избежать эмиссии метана в атмосферу. Замена традиционных жидких топлив на глубоко обогащенную, дешевую из-за отсутствия затрат на измельчение, ВУС уменьшает выбросы тепловой электростанцией золы в атмосферу. Отсутствуют потери угля при транспортировке. Добыча осуществляется без присутствия людей под землей.

Известно, что из всех сфер (космос, атмосфера, гидросфера, литосфера и др.) земная кора изучена менее всего (в смысле глубины, простирания, протяженности). Вероятность встретить неизвестный ранее науке объект (какое-нибудь "чудовище") в литосфере наиболее высока. Что, по нашему мнению, и произошло.

Самым большим заблуждением ХХ века является то, что встретив, впервые 100 лет назад, выброс угля и газа, человек не понял, что столкнулся с принципиально новым феноменом. Феноменом, которому не было и пока еще нет в настоящее время, легко доступных для наблюдения прямых аналогов ни на дневной поверхности Земли, ни в лаборатории, ни в других геосферах, ни в космосе. Феноменом, о котором наука просто понятия не имеет, т.к. для нее его не существует. Самоорганизация в краевой части горного массива лежит вне области применения термодинамики. Второй закон термодинамики, конечно не нарушается, но в данном случае, теряет свою значимость, т.к. приращение энтропии на микроуровне становится бесконечно малой величиной. Наоборот, на макроуровне из "беспорядка" образуется "порядок". Процесс течет с уменьшением энтропии, что для традиционной науки - полный нонсенс.

Так случилось, что этот груз "свалился на плечи" самой слабой науки, которая и в настоящее время наукой еще не считается, а называется "делом" или "искусством" (горное дело, горное искусство). Другие науки, такие как синергетика, сегодня ушли далеко вперед, но они ничего не слышали о динамических и газодинамических явлениях, происходящих глубоко под землей.

Наиболее близким аналогом выброса угля и газа, по нашему мнению, является вулканизм. Насколько нам известно, вулканологи пока так не думают. Поэтому, мы спокойно (не волнуясь об авторских правах) берем для названия своей технологии рабочее название - "Вулкан". Если мы не правы, т.е. у вулканологов есть возражения и требуется ссылка на их работы, можем назвать свою технологию "Гейзер". Механизм всех перечисленных 3-х явлений, по нашему мнению, один и тот же, отличие только в масштабных уровнях.

Этап 1. На земной поверхности оборудуется площадка из армированного бетона повышенной прочности (рис. 1), способная в будущем противостоять выбросу угля и газа в скважину. Площадка при помощи анкеров крепится к земной поверхности. Производится монтаж бурового оборудования и начинается бурение скважины. До угольного пласта бурение осуществляется обычным способом. При достижении критической глубины, вокруг скважины начинает образовываться порциями (квантами) "древовидная" система трещин. Через постоянный интервал бурения прорастают дискообразные трещины под углом 90 градусов к оси бурения. Дискообразные трещины ветвятся на цилиндрообразные трещины. Цилиндрические (цилиндрообразные) трещины располагаются под 90 градусов к дискообразным трещинам, то есть параллельно оси бурения. На этом этапе, самообразование трещин играет негативную роль. Так как все трещины соединяются между собой и со скважиной, то параллельно со скважиной образуется альтернативный канал, сообщающийся с дневной поверхностью. В связи с этим, герметизация устья скважины не может быть эффективной.

Этап 2. При подходе к угольному пласту бурение останавливают (рис. 2), буровой инструмент извлекают и осуществляют тампонирование трещин вокруг скважины. Например, в трещины нагнетают самотвердеющую жидкую пластическую массу. В результате реакции полимеризации через некоторое время она становится твердым телом. Скважина очищается от затвердевшей пластмассы путем повторного бурения. Стенки скважины должны быть непроницаемыми при давлениях газа близких к горностатическому. Это необходимо для того, чтобы вскрыть (перебурить) угольный пласт под давлением, которое не даст образоваться техногенным трещинам в угольном пласте. В противном случае, образовавшаяся зона разупрочнения будет в будущем препятствовать прорастанию новых трещин до фундаментальной длины и, как следствие, предотвратит генерацию метана в необходимых количествах.

Этап 3. Для достижения этой цели (перебуривания угольного пласта под давлением), поверхностный комплекс (рис. 3), включая буровое оборудование, изолируется от атмосферы Земли герметическим куполом (форма значения не имеет) повышенной прочности. Купол совместно с площадкой должен быть способен противостоять энергии выброса угля и газа в будущем. Купол заранее оборудуется патрубком (вводом) для сжатого газа, патрубком (выводом) для жидкостно-угольной суспензии (ЖУС) и шлюзовыми камерами для перемещения людей и оборудования. Вопрос присутствия людей под колпаком на сегодня не определен, так как не известна величина избыточного давления и химический состав газа. Вскрытие угольного пласта осуществляют под давлением газа на забой скважины, исключающем инициирование процесса самообразования трещин в угольном пласте вокруг скважины. При этом бурение осуществляют "всухую", то есть без использования промывочных жидкостей. Увлажнение угольного пласта не может способствовать в будущем росту трещин по угольному пласту до фундаментальной и более длины.

Этап 4. Не снижая давления газа под куполом (рис. 4), при помощи шлюзовых камер, осуществляют демонтаж бурового оборудования и монтаж оборудования для разделения, транспортировки из под купола продуктов выброса угля и газа в будущем. При первых испытаниях, на которых будет определена величина необходимого избыточного давления газа под куполом, эта операция отсутствует. Предполагается, что монтаж всего оборудования выполняется заблаговременно и буровое оборудование, если оно серийно выпускаемое, будет "похоронено" в результате воздействия жидкости. Или "не похоронено", если оно будет в соответствующем гидроизоляционном исполнении. При отрицательном решении вопроса присутствия людей под куполом, в будущем демонтаж и монтаж оборудования должен осуществлятся роботами или манипуляторами. Оборудование должно быть специально разработанным для этих условий.

Этап 5. Не снижая давления газа под куполом (рис. 5), начинают заполнение скважины рабочей жидкостью, может быть водой. До проведения натурных исследований химический состав рабочей жидкости, как и химический состав газа под колпаком, не может быть определен однозначно. По мере заполнения скважины жидкостью, уменьшают газовое давление на величину равную весу жидкости. После окончания заполнения системы жидкостью, резко (скачкообразно) сбрасывают давление газа под куполом, что, согласно нашей феноменологической теории (гипотезе), должно инициировать выброс угля и газа в скважину. Основным условием продолжения реакции является своевременное удаление ее продуктов, что, при соответствующем диаметре скважины, должен обеспечить метановый эрлифт.

Этап 6. Псевдореакция разложения (рис. 6) углеводородного твердого раствора (угля) на газообразную и твердую компоненты запускается в результате нарушения механического равновесия. При этом, в результате саморазрушения порции (макро кванта) краевой части угольного пласта вокруг скважины, образуется зона разупрочнения. Растущие трещины генерируют дополнительные (промысловые) количества метана. Образующийся ("рождающийся") метан, своим давлением расклинивает проросшие под действием горного давления трещины и продолжает их рост. Процесс становится самоподдерживающимся и саморазвивающимся. Поднимающиеся на поверхность, пузырьки метана увлекают за собой сильно измельченное угольное вещество и более крупную фракцию, если такая будет. Для восполнения потерь жидкости под землей, по трубе, проложенной внутри скважины, с поверхности подается под собственным весом, а возможно и под давлением, рабочая жидкость. При этом, на полого залегающих угольных пластах должны возникать проблемы со своевременной доставкой рабочей жидкости к стенкам полости.

При отработке круто падающего угольного пласта (рис. 7), доставка рабочей жидкости к забою дополнительно осуществляется за счет гравитационных сил. Это должно сделать процесс саморазрушения более продолжительным, чем на полого залегающих пластах. На дневной поверхности, газированная смесь жидкости с углем подается на конвейер проницаемый для жидкости. В результате происходит разделение смеси на газ, жидкость, уголь крупной фракции и смесь жидкости с сильно измельченным угольным веществом (ЖУС). Последняя после глубокого обогащения, подается в котлоагрегаты тепловой электростанции. Жидкость, высвобождающаяся при разделении газированной смеси, используется повторно для нагнетания в угольный пласт.

Предполагается (рис. 8), что станут возможными многократная остановка и повторный запуск геореактора. Путем создания определенного давления газа под куполом достигается уменьшение абсолютных смещений на поверхности обнажения угольного массива, трещины перестают расти и реактор останавливается. Для запуска реактора давление газа под куполом резко (скачкообразно) сбрасывается. Контроль за процессом трещинообразования предполагается вести путем прослушивания массива с помощью геофона, расположенного в буровой штанге над буровой коронкой. Фильтрация низкочастотных шумов от бурового инструмента и выделение высокочастотных импульсов аккустической эмиссии от трещин, предполагаются возможными при помощи компьютера. Не исключаются другие схемы расположения геофонов непосредственно в угольном пласте. При этом скважины, пробуренные с поверхности для заложения геофонов, должны располагаться от геореактора на удалении исключающем прорастание трещины от геофона до места будущего геореактора.

Этап 7. После истощения геореактора (рис. 9) и прекращения фантанирования на дневную поверхность газированной смеси жидкости с углем, в угольном пласте остается обширная полость (каверна). Обширная обнаженная поверхность формирует обширную зону разупрочнения, которая при своем образовании генерирует большие дополнительные (промысловые) количества метана и сеть соединяющихся со скважиной каналов для его транспортировки. После демонтажа купола и откачки жидкости, скважина длительное время может эксплуатироваться как газодобывающая.

Разработанная автором феноменологическая теория (основы неравновесной механодинамики) механизма саморазрушения угольного пласта исчерпала себя. Средства моделирования этого неизвестного науке явления, кроме наших незавершенных, пока нам не известны, в том числе и математического моделирования. Создать адекватные условия в лаборатории пока не возможно. Поэтому, мы считаем, что нужно перенести исследования в натурные условия.

Автор понимает, что предлагаемый им вариант (рабочая версия) имеет достаточно много неосвещенных (темных) мест. Однако, на промышленное испытание и доведение технологии до кондиции у автора нет средств и сил. В процессе доработки и испытаний должны возникнуть основные вопросы. Решение этих вопросов, возможно, потребует средств не меньше чем, в свое время, на полет человека в космос или реализацию управляемой термоядерной реакции. Хочется верить, что средств потребуется значительно меньше и проект будет кем-нибудь осуществлен еще при жизни автора. Буду благодарен, если получу приглашение на участие в его реализации.

Дополнительные исследования потребуются, например, для решения следующих вопросов.

Какой прочностью должны обладать площадка, прикрепленная анкерами к земной поверхности, и купол, соединенный с площадкой герметически, чтобы не взлететь над земной поверхностью после инициализации выброса угля и газа в скважину?
Каким должно быть противодавление на угольный забой, чтобы исключить нежелательный преждевременный самозапуск реакции разложения угольного пласта?
Каков должен быть химический состав рабочей жидкости, чтобы одновременно решались следующие задачи?
1) не ухудшались прочностные свойства краевой части угольного пласта (хрупкость - способность к саморазрушению).
2) достигалось эффективное глубокое обогащение ЖУС (ВУС).
3) удельный вес жидкости не должен создавать давление препятствующее инициированию выброса.
Какое количество жидкости должно быть в скважине (процент заполнения объема скважины)?
Каким должен быть диаметр скважины, чтобы обеспечить пропускную способность достаточную для своевременного удаления продуктов реакции саморазложения (выброса угля и газа) из георектора?
Как получить информацию о начале процесса образования техногенных трещин? Если путем регистрации акустической эмиссии, то где расположить геофоны? И многое многое другое.

В связи с увеличением глубины разработки, традиционные знания перестали удовлетворять горняков-практиков. Например, при выбросе угля и газа, метана выделяется на порядок больше, чем его содержалось в угле, согласно теории. При газоносности 40 м³/т выделяется 400-500 м³/т. Традиционная горная наука объясняет дополнительные количества метана фильтрацией газа из глубин пласта. При этом шахтный эксперимент показывает, что на больших глубинах уголь имеет нулевую газопроницаемость. Если пробурить две скважины на один и тот же пласт на небольшом расстоянии друг от друга, то в них никогда не установится одинаковое газовое давление. Сообщающиеся сосуды между собой не сообщаются. Вторая версия от официальной науки - различные утечки газа в обход герметизатора. Из-за отсутствия необходимого инструментария эту версия сегодня нельзя ни опровергнуть ни подтвердить.

С позиций традиционных знаний не возможно объяснить грушевидную форму полости, образующуюся иногда в угольном пласте после выброса.

Нет никаких оснований, кроме цвета, считать, что уголь в лаборатории и уголь глубоко под землей - это одно и то же.

Традиционные знания, то есть представления об угольном веществе как о трещиновато-пористом материале, содержащем в себе метан, в тех количествах, в которых он выделяется при ведении горных работ - есть гипотеза. Практически ни одно из основных ее положений не подтверждено прямым натурным экспериментом. Например, наличие метана в ископаемом угольном пласте в тех количествах в которых он выделяется.

Мы предлагаем другую гипотезу. Наш альтернативный подход основан на принципиально новом явлении, которое наблюдается только на больших глубинах. Это саморазрушение краевой части горного массива.

EnglishGermanFrench

Мы получили полный детальный (подробный) механизм самообразования дефектов в геоматериале - механизм реакции саморазложения угольного вещества на твердую и газообразную компоненты. Следовательно мы знаем управляющие параметры и можем объяснить успех (высокую эффективность) технологии США добычи угольного метана из неразгруженных угольных пластов. Мы можем предложить концепцию еще более эффективной технологии на основе управляемого выброса угля и газа в скважину, пробуренную с дневной поверхности.

Благодарю за внимание.

  ©   28.09.2005   Шестопалов А.В.