Ученые ТПУ научили пласт производить метан с помощью отходов и CO₂
Ученые и инженеры Томского политехнического университета разработали комплексный подход к моделированию добычи метана из угольных пластов, объединивший несколько процессов в рамках единой математической модели.
Новая модель учитывает одновременно три разных процесса. Прежде всего – добычу метана, находящегося в угольном пласте. Во-вторых, закачку углекислого газа (CO₂), который «выталкивает» дополнительный метан из угля, обеспечивая процесс десорбцации. При этом сам углекислый газ частично остаётся в пласте, предлагая решение задачи захоронения парникового газа. В-третьих, процесс биогенерации. В пласт закачиваются органические отходы агропереработки и микроорганизмы, которые в безвоздушном пространстве разлагают эту питательную среду, производя дополнительный метан. При этом выделяющийся при разложении CO₂ тоже может адсорбироваться углём.
Для обеспечения работы столь сложного механизма, включающего множество параллельных процессов, были интегрированы несколько типов моделей. Гидродинамическая описывает движение жидкости и газов в пористой среде трещиноватого угольного пласта. Геомеханическая учитывает, как меняются свойства самого угля и породы под давлением, при закачке, из-за движения флюидов. Химическая контролирует реакции, идущие при взаимодействии CO₂, воды, компонентов угля и продуктов разложения органики. Биологическая моделирует скорость и пути разложения питательной среды бактериями с образованием метана, CO₂ и воды.
Востребованность разработки
По оценкам специалистов, в основных угольных бассейнах России залегает более 80 триллионов кубометров метана. Столь широкие запасы ресурса, применимого как в сфере ТЭК, так и в химической промышленности, дают все основания серьезно отнестись к разработке томских инженеров.
Предлагаемый комплексный подход особенно ценен на начальном этапе разработки месторождения. Модель помогает «прощупать» пласт: найти зоны, где сейчас скопилось больше всего метана или других компонентов, чтобы оптимально спланировать бурение скважин и выбрать, куда именно закачивать CO₂ или питательный раствор.
Добыча метана из угольных пластов рассматривается не только как фактор промышленной безопасности при добыче угля, но и как самостоятельный энергетический ресурс. Разработка учитывает реальные особенности месторождения: насколько пласт неоднороден, как связаны между собой трещины, какой у угля состав и возраст. Ведь эти факторы напрямую влияют на эффективность закачки питательной среды.
Одно из серьезнейших преимуществ разработки – возможность отдельно посчитать вклад каждого источника: сколько метана вышло из самой угольной матрицы, сколько вытеснил CO₂, а сколько произвели бактерии. Соответственно, можно скорректировать экономику проекта. Ведь, если понятно, какой из механизмов даёт основной результат, его можно задействовать дополнительно.
Проект, получивший грант Передовой инженерной школы ТПУ, на данный момент является прототипом. Его работоспособность доказана на синтетической секторной модели пласта. Теперь вопрос в том, насколько успешно лабораторные наработки будут масштабированы до реальных полевых условий.
Опыт, перспективы, ожидания
Метан, отличающийся повышенной взрывоопасностью, является одним из основных факторов риска в шахтах. Предварительная дегазация угольных пластов позволит одновременно снижать риски при добыче угля и получать дополнительный энергетический ресурс.
Использование угольных пластов для закачки углекислого газа и продуктов сельхозпереработки позволит частично решать экологические вопросы. Так что речь идет не только о получении энергоресурсов, но и о возможности применения технологий масштабной переработки отходов.
Первый в России опыт промышленного извлечения метана из угольных пластов был проведен в Кузбассе, под управлением компании «Газпром добыча Кузнецк». Проект стартовал в 2007 году для решения целого ряда задач. Прежде всего – повышения безопасности угледобычи. Во-вторых, обеспечения значительного объема газодобычи, ведь в недрах Кузбасса сосредоточено около 13 трлн кубометров метана, что сопоставимо с запасами традиционного газа на Уренгойском месторождении. Добытый метан может заменить до 4 млрд кубометров газа в год, поставляемых в регион с Севера. Кроме того, снижение выбросов метана в атмосферу улучшает экологическую обстановку и сокращает выплаты за выбросы парниковых газов.
Разработка ТПУ показывает переход отрасли от добычи угольного метана к использованию комплексных цифровых моделей, учитывающих большое количество факторов одновременно.
