CC BY
22
УДК 622.234.573+622.831.325.3
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-6-338-345
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛЕГКОГО ПРОППАНТА НА ПРОНИЦАЕМОСТЬ УГЛЯ
Татьяна Викторовна Шилова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (923)708-97-29, e-mail: [email protected]
Леонид Алексеевич Рыбалкин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, аспирант, тел. (983)323-33-62, e-mail: [email protected]
В работе рассмотрен вопрос повышения проницаемости угля методом гидравлического разрыва с использованием легкого проппанта на основе алюмосиликатных микросфер. Приведены результаты экспериментального исследования влияния полых алюмосиликатных микросфер АСПМ 500 на проницаемость длиннопламенного угля. Проницаемость угля с расклиненной трещиной снижается в 4-9 раз при повышении давления всестороннего сжатия в 5 раз с 1 до 5 МПа. Заполнение продольной трещины легким проппантом с толщиной слоя в 0,5 мм приводит к увеличению проницаемости угля в 7-19,5 раз по сравнению с трещиной без проппанта при давлениях сжатия 1-5 МПа. Полученные результаты позволяют оценить влияние легкого проппанта на проницаемость угля в условиях пластовых давлений, характерных для газоносных угольных пластов. Применение легкого проппанта на основе алюмосиликатных микросфер является перспективным направлением развития технологии гидравлического разрыва для дегазации угольных пластов.
Ключевые слова: уголь, проницаемость, легкий проппант, трещина, дегазация, угольный пласт, гидроразрыв, алюмосиликатные микросферы.
EXPERIMENTAL STUDY OF A LIGHTWEIGHT PROPPANT INFLUENCE ON COAL PERMEABILITY
Tatyana V. Shilova
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Researcher, phone: (923)708-97-29, e-mail: [email protected]
Leonid A. Rybalkin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Junior Researcher, phone: (383)335-96- 42, e-mail: [email protected]
The article studies the increase of the coal permeability by hydraulic fracturing with the use of a lightweightproppant based on aluminosilicate microspheres. The results of an experimental study on the influence of ASPM 500 hollow aluminosilicate microspheres on the permeability of the long flaming coal are presented. The permeability of coal with a wedged crack is reduced by 4-9 times when the pressure of the triaxial compression is increased by 5 times from 1 to 5 MPa. Filling of a longitudinal crack with a lightweightproppant with the 0.5 mm thickness layer leads to an increase in the permeability of coal by 7-19.5 times comparing to a crack without proppant at compression pressures equal to 1-5 MPa. The obtained results provide the opportunity to evaluate the influence of a lightweightproppant on the permeability of coal under reservoir pressure typical for gas-bearing
coal seams. The use of a lightweightproppant based on aluminosilicate microspheres is a promising direction in the development of hydraulic fracturing technology for the degassing of coal seams.
Key words: coal, permeability, lightweight proppant, crack, degassing, coal seam, hydraulic fracturing, aluminosilicate microspheres.
Введение
В настоящее время интенсивно осваиваются нетрадиционные источники природного газа, в том числе газоносные угольные пласты. Низкая проницаемость угля (0,1-10 мД) осложняет извлечение газа из неразгруженных от горного давления пластов [1]. Одним из эффективных способов искусственного повышения проницаемости и интенсификации дегазации угля является гидроразрыв пласта [2-5].
Анализ опыта проведения гидроразрыва угольных пластов показывает, что метод малоэффективен без расклинивания созданных трещин проппантом. Использование раскрепляющих материалов напротив может обеспечить долгосрочное увеличение производительности дегазационной скважины. По данным [6-8] трещины гидроразрыва с раскрытием 3-4 мм, заполненные песчаным проппантом (30/60меш), и радиусом несколько метров увеличивают на несколько месяцев производительность дегазационной скважины в 5-180 раз в зависимости от проницаемости угольного пласта [6]. Согласно [9] использование песчаного проппанта (70-140 меш) увеличивает проницаемость трещины в антраците и битуминозном угле в 5-10 раз.
Применение традиционных проппантов для гидроразрыва угольного пласта (кварцевый песок, керамики, RCP) осложняется их преждевременным осаждением в трещине. При этом существующие способы решения этой проблемы (использование высоковязких жидкостей, применение маловязких жидкостей при повышенном темпе закачки), требуют значительного повышения стоимости работ, что зачастую нерентабельно при отработке низкопроницаемых угольных пластов [10-12]. Из современных решений в области разработки и исследования расклинивающих материалов перспективным для гидроразрыва угольных пластов является использование легких проппантов с плотностью, близкой к наиболее дешевым жидкостям разрыва на водной основе. Результаты экспериментального исследования скорости оседания песка (плотность
-5
2,65 г/см ) и легкого проппанта на основе термопластичного сплава (плотность
-5
1,08 г/см3) различных фракцийпри повышении вязкости несущей жидкости приведены в работе [13]. Экспериментальные результаты по влиянию плотности суспензии на перемещение частицы расклинивающегоматериала приведены в работе [14]. Применение проппантов с низкой плотностью позволит обеспечить длительный перенос и удовлетворительное распределение на всем протяжении трещины гидроразрыва [15-17]. В работе приведены результаты экспериментального исследования влияния легкого проппанта на основе полых алю-мосиликатных микросфер АСПМ 500 на проницаемость угля при различных условиях напряжения.
Экспериментальная установка
Эксперименты были выполнены на лабораторной установке, предназначенной для измерения газопроницаемости горных пород при стационарном характере фильтрации линейного потока газа и состоящей из испытательной камеры, блока подготовки газа, пневмогидравлической системы осевого и бокового сжатия породного образца цилиндрической формы. Основные характеристики установки приведены в табл. 1. Подробное описание дано в работе [11].
Таблица 1
Характеристики экспериментальной установки
Параметр Диапазон значений Шаг измерения (регулирования)
Время фильтрации, с 0.001 - 432000 0.001
Давление газа, входное, МПа 0 - 5 0.02
Дифференциальное давление Р, МПа 0 - 0.3 0.001
Газ N2, ш4, т2 -
Температура, °С От - 10 до + 150 0.01
Боковое сжатие, МПа 0 - 20 0.05
Осевое сжатие, МПа 0 - 50 0.05
Фильтрационный объем одного измерения, 3 дм 0.2 - 0.5 -
Масса камеры, кг 0.7 -
Образец и методика проведения экспериментов
В экспериментах использовали длиннопламенный уголь, отобранный на Караканском каменноугольном месторождении (Пермяковский разрез, Кузнецкий бассейн). Из угля был изготовлен цилиндрический образец диаметром 30 мм и высотой 30 мм. Вдоль оси цилиндра была создана трещина, которую впоследствии заполняли проппантом (рис. 1).
Рис. 1. Экспериментальный образец с трещиной, заполненной проппантом (слева). Проппант - алюмосиликатные микросферы АСПМ 500 (справа)
Средняя ширина расклиненной трещины составила 0,5 мм. В качестве проппанта использовали полые алюмосиликатные микросферы АСПМ 500, свойства которых приведены в табл. 2 [12]. Размер основной фракции - 100150 мкм.
Таблица 2
Свойства алюмосиликатных микросфер АСПМ-500
Размер, мкм <500
Истинная плотность, кг/м3 650-800
Коэффициент укладки 60-80% от теоретической
Насыпная плотность, кг/м3 350-430
Предел прочности на сжатие, кГ/см2 150-280
Количество осадка, об. <5%
На первом этапе была исследована проницаемость угля с трещиной без проппанта. Эксперименты были проведены с использованием азота, фильтрующегося в осевом направлении при постоянных перепадах давления АР и давлениях всестороннего сжатия Р от 1 до 5 МПа с шагом 1 МПа. Для каждого Р из интервала от 1 до 5 МПа выполнена серия тестов при АР = 0,01; 0,02; 0,03; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1 МПа.
На втором этапе были выполнены эксперименты по определению проницаемости угля с трещиной, расклиненной полыми алюмосиликатными микросферами АСПМ 500. Проппант равномерно наносили на поверхность трещины, далее составной образец помещали в резиновую манжету и в испытательную камеру, после чего выполняли серию аналогичных экспериментов.
Значения коэффициентов газопроницаемости образца до и после добавления проппанта рассчитывали по формуле для линейного потока газа и стационарного характера фильтрации [13].
Обсуждение результатов
В первой серии экспериментов была исследована зависимость проницаемости длиннопламенного угля с трещиной без проппанта от всестороннего сжатия образца Р. Полученные результаты приведены на рис. 2. Установлено, что проницаемость падает с ростом давления всестороннего сжатия, уменьшаясь в 13-24 раза при увеличении Р в 5 раз с 1 до 5 МПа. Это свидетельствует о малой эффективности дренирования угля трещинами гидроразрыва без их заполнения расклинивающим материалом.
Во второй серии экспериментов оценивалось влияние давления всестороннего сжатия Р на проницаемость длиннопламенного угля с трещиной, заполненной алюмосиликатными микросферами АСПМ-500 при начальном раскрытии 0,5 мм. Результаты приведены на рис. 3. Выявлено, что проницаемость угля снижается в 4-9 раз при повышении всестороннего сжатия Р в 5 раз с 1 до
5 МПа. Причиной уменьшения проницаемости может быть уплотнение упаковки проппанта в трещине, для оценки которого необходимо дополнительно определять раскрытие трещины после сжимающих нагрузок.
Рис. 2. Зависимость коэффициента газопроницаемости длиннопламенного угля с трещиной без проппанта (K) от перепада давления АР и давления
всестороннего сжатия P
Рис. 3. Зависимость коэффициента газопроницаемости угля с трещиной, заполненной проппантом (К) от перепада давления АР и давления
всестороннего сжатия Р
Экспериментальные исследования показали, что использование легкого проппанта для расклинивания искусственной трещины, приводит к увеличению проницаемости угля. Зависимость отношения коэффициентов проницаемости от давления сжатия до и после использования легкого проппанта показана на рис. 4. Эффект от использования проппантов повышается с ростом сжимающих нагрузок. Так, при давлениях сжатия Р = 1, 2 МПа проницаемость повышается в среднем в 7-8,5 раз, при Р = 3, 4 МПа в 11-14 раз, а при Р = 5 МПа в 19,5 раз (рис. 4). Выявленная закономерность позволяет оценить влияние легкого проп-панта на проницаемость угля в условиях пластовых давлений, характерных для газоносных угольных пластов. Однако, при этом следует учитывать прочностные характеристики проппантов.
ж
V
А < < > / < > > К
А I I | Ж
1 ■ I 1 ■
С 1 2 3 4 5 5
Р: МПа
Рис. 4. Зависимость отношения коэффициентов проницаемости угля с трещиной с проппантом и без проппанта (К/К) от давления всестороннего сжатия образца Р
Полученные результаты показали, что применение легких проппантов является перспективным направлением развития технологии гидроразрыва для дегазации угольных пластов.
Выводы
Заполнение трещины легким проппантом на основе алюмосиликатных микросфер АСПМ 500 с толщиной слоя в 0,5 мм увеличивает проницаемость длиннопламенного угля в 7-19,5 раз по сравнению с трещиной без расклинивания. Применение легких проппанта на основе алюмосиликатных микросфер является перспективным направлением развития технологии гидроразрыва для дегазации угольных пластов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект RFMEFI60417X0172).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Sander R., Pan Z., Connell L. D. Laboratory measurement of low permeability unconventional gas reservoir rocks: A review of experimental methods //Journal of Natural Gas Science and Engineering. - 2017. - Т. 37. - P. 248-279.
2. Flores R. M. Coal and coalbed gas: Fueling the future. - Newnes, 2013.
3. Ютяев Е. П., Садов А. П., Мешков А. А. и др. Оценка фильтрационных свойств угля в гидродинамических испытаниях дегазационных пластовых скважин // Уголь. - 2017. -№ 11 (1100). - С. 24-29.
4. Леконцев Ю. М., Сажин П. В. Технология направленного гидроразрыва пород для управления труднообрушающимися кровлями в очистных забоях и дегазации угольных пластов //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2014. - № 5. -С.137-142.
5. Плаксин М. С., Родин Р. И., Рябцев А. А. и др. Гидроразрыв угольного пласта в шахтных условиях как панацея решения газовых проблем шахт (основы разработки и внедрения) // Уголь. - 2015. - № 2. - С. 48-50.
6. Jeffrey R., Boucher C. Sand Propped hydraulic fracture stimulation of horizontal in-seam gas drainage holes at Dartbrook Coal Mine. - 2004.- P. 168-179.
7. Курленя М.В., Сердюков С.В., Патутин А.В., Шилова Т.В.Интенсификация подземной дегазации угольных пластов методом гидроразрыва. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2017. - № 6. - С. 3-9.
8. Saldungaray P. M. et al. Hydraulic fracture optimization in unconventional reservoirs // SPE Middle East unconventional gas conference and exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2012.
9. Kumar H. et al. Permeability evolution of propped artificial fractures in coal on injection of CO2 // Journal of Petroleum Science and Engineering. - 2015. - Т. 133. - P. 695-704.
10. Bokane A. et al. Computational fluid dynamics (CFD) study and investigation of proppant transport and distribution in multistage fractured horizontal wells // SPE Reservoir Characterization and Simulation Conference and Exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2013.
11. Bokane A. B. et al. Transport and distribution of proppant in multistage fractured horizontal wells: a CFD simulation approach // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2013.
12. Mack M. G. et al. Development and field testing of advanced ceramic proppants // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2013.
13. Parker M. A. et al. New proppant for hydraulic fracturing improves well performance and decreases environmental impact of hydraulic fracturing operations // SPE Eastern Regional Meeting. - Society of Petroleum Engineers, 2012.
14. Barree R. D. et al. Experimental and numerical modeling of convective proppant transport // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 1994.
15. Liang F. et al. A comprehensive review on proppant technologies //Petroleum. - 2016. -Т. 2. - № 1. - С. 26-39.
16. Шилова Т. В., Курленя М. В., Сердюков С. В. Экспериментальная оценка проводимости трещин с проппантом из алюмосиликатных микросфер в условиях малоглубинного гидроразрыва нефтяного пласта // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2017. - № 6. - С. 127-132.
17. Rickards A. R. et al. High strength, ultra-lightweight proppant lends new dimensions to hydraulic fracturing applications // SPE annual technical conference and exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2003.
18. Сердюков С. В., Шилова Т. В., Дробчик А. Н. Лабораторная установка и методика определения газопроницаемости горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2017. - № 5. - С. 172-180.
19. ТУ 5717-001-11843486-2004. Микросферы алюмосиликатные, 2004.
20. ГОСТ 26450.2-85. Методы определения коэффициента абсолютной газопроницаемости при стационарной и нестационарной фильтрации. - М.: Изд-во стандартов, 1985. - 17 с.
REFERENCES
1. Sander R., Pan Z., Connell L. D. Laboratory measurement of low permeability unconventional gas reservoir rocks: A review of experimental methods //Journal of Natural Gas Science and Engineering. - 2017. - Т. 37. - P. 248-279.
2. Flores R. M. Coal and coalbed gas: Fueling the future. - Newnes, 2013.
3. Yutyaev E. P., Sadov A. P., Meshkov A. A. et al. Evaluation of coal filtration properties in the hydrodynamic tests of degassing formation wells //Coal. - 2017. - № 11 (1100).
4. Lekontsev Y. M., Sazhin P. V. Directional hydraulic fracturing in difficult caving roof control and coal degassing // Journal of mining science. - 2014. - № 5. - P. 914-917.
5. Plaksin M. S., Rodin R. I., Riabtsev A. A., Alkov V. I. et al. Hydraulic fracturing of the coal bed in mine conditions as a panacea for solution of gas problems in mine (basic for the development and implementation) // Coal. - 2015. - № 2. - P. 48-50.
6. Jeffrey R., Boucher C. Sand Propped hydraulic fracture stimulation of horizontal in-seam gas drainage holes at Dartbrook Coal Mine. - 2004. - P. 168-179.
7. Kurlenya M. V., Serdyukov S. V., Patutin A. V., Shilova T. V. Enhancement of coal bed degassing by hydraulic fracturing // Journal of mining science. - 2017. - № 6.
8. Saldungaray P. M. et al. Hydraulic fracture optimization in unconventional reservoirs //SPE Middle East unconventional gas conference and exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2012.
9. Kumar H. et al. Permeability evolution of propped artificial fractures in coal on injection of CO2 //Journal of Petroleum Science and Engineering. - 2015. - Т. 133. - P. 695-704.
10. Bokane A. et al. Computational fluid dynamics (CFD) study and investigation of proppant transport and distribution in multistage fractured horizontal wells //SPE Reservoir Characterization and Simulation Conference and Exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2013.
11. Bokane A. B. et al. Transport and distribution of proppant in multistage fractured horizontal wells: a CFD simulation approach // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2013.
12. Mack M. G. et al. Development and field testing of advanced ceramic proppants // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2013.
13. Parker M. A. et al. New proppant for hydraulic fracturing improves well performance and decreases environmental impact of hydraulic fracturing operations // SPE Eastern Regional Meeting. - Society of Petroleum Engineers, 2012.
14. Barree R. D. et al. Experimental and numerical modeling of convective proppant transport // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 1994.
15. Liang F. et al. A comprehensive review on proppant technologies // Petroleum. - 2016. -Т. 2. - № 1. - С. 26-39.
16. Shilova T. V., Kurlenya M. V., Serdyukov S. V. Experimental estimate of capacities of shallow hydraulic fracturing with proppant made // Journal of mining science. - 2017. - № 6.
17. Rickards A. R. et al. High strength, ultra-lightweight proppant lends new dimensions to hydraulic fracturing applications //SPE annual technical conference and exhibition. - Society of Petroleum Engineers, 2003.
18. Serdyukov S.V., Shilova T.V., Drobchik A.N. Laboratory installation and procedure to determine gas permeability of rocks // Journal of mining science. - 2017. - № 5.
19. TY 5717-001-11843486-2004. Microspheresaluminosilicate, 2004.
20. GOST 26450.2-85 Methods for determination of absolute gas permeability coefficient by stationary and non-stationary filtration. - M.: P of standards, 1985. - 17 p.
© Т. В. Шилова, Л. А. Рыбалкин, 2018
