CC BY
7
УДК 534.232
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-6-147-154
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ НА СКОРОСТИ ФИЛЬТРАЦИИ ГАЗА
Леонид Алексеевич Рыбалкин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск,
Красный пр., 54, аспирант, младший научный сотрудник, тел. (383)335-96-42, e-mail: Leonid.Rybalkin@gmail.com
Аркадий Николаевич Дробчик
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, младший научный сотрудник, тел. (383)335-96-42, e-mail: a.n.drobchik@gmail.com
В данной работе описаны экспериментальные исследования с целью установить зависимость изменения скоростей фильтрации в проницаемой горной породе от параметров вибросейсмического поля приложенного к ней. Авторами предложен подход, заключающийся в серии воздействии на образец проницаемой горной породы при постоянном осевом и всестороннем сжатии, фильтрационном потоке упругими вибрационными колебаниями. В каждой сери изменяется амплитуда и частота колебаний, длительность одного эксперимента зависит от времени фильтрации определенного объема газа. Зная изначальный коэффициент проницаемости, а также рассчитанный для каждой частоты и амплитуды, получают зависимость скорости фильтрации газа от параметров вибросейсмического воздействия. Для проведения серий экспериментов авторами разработан специальный стенд, в качестве проницаемой горной породы выбран уголь. Осевое и всестороннее сжатие составляло 10 Атм, перепад давления при фильтрации составлял 3 Атм. Вибрационное воздействие долговременное (сеансы до суток каждый, вся серия - несколько месяцев); монохроматическое частотой 40-240 Гц; интенсивность 0,2-130 Вт/м2; поперек фильтрационного потока азота в угле. Полученные результаты показывают перспективность вибросейсмического воздействия для ускорения фильтрации газа в углях, что может быть полезным для интенсификации дегазации угольных пластов в шахтных условиях.
Ключевые слова: вибровоздействие, проницаемость, упругие колебания, уголь, стенд, фильтрация газа, дегазация.
EXPERIMENTAL STAND AND RESULTS OF RESEARCH ON ELASTIC OSCILLATIONS DEPENDENCE ON GAS FILTRATION VELOCITY
Leonid A. Rybalkin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D. Student, Junior Researcher, phone: (383)335-96-42, e-mail: Leonid.Rybalkin@gmail.com
Arkasy N. Drobchik
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Junior Researcher, phone: (383)335-96- 42, e-mail: a.n.drobchik@gmail.com
The article describes experimental studies aimed at determination of the dependence of filtration rate changes in permeable rock on the applied to it vibroseismic field parameters. The authors have proposed an approach involving a series of impacts on the sample of a permeable rock with constant axial and triaxial compression and filtration flow by elastic vibration oscillations. In each
series, the amplitude and frequency of oscillations vary; the duration of an experiment depends on the filtration time of a certain gas volume. With the help of the initial permeability coefficient and calculated for each frequency and amplitude, the dependence of the gas filtration rate on the parameters of the vibroseismic impact is obtained. The authors have developed a special stand to carry out a series of the experiments. Coal has been chosen as a sample of a permeable rock. The axial and triaxial compression has been equal to 10 Atm, the pressure drop during filtration has been equal to 3 Atm. Vibration effect is long-term (each session duration is up to 24 hours, the whole series of the experiments takes several months); monochromatic effect has frequency of 40-240 Hz; intensity of 0,2-130 W/m2, and it acts across the filtration flow of nitrogen in the coal. The obtained results show the prospectivity of vibroseismic action for accelerating the filtration of gas in coals, which can be useful for intensifying degassing of coal seams in mine conditions.
Key words: vibration effect, permeability, elastic oscillations, coal, stand, gas filtration, degassing.
Введение
При разработке углепородного массива шахтным способом, одной из важнейших задач экономически выгодной и безопасной работы горного предприятия является своевременное удаление каптированного в угольном пласте газа метана. Достижение необходимой степени дегазации в неразгруженном углепородном массиве осложняется такими факторами, как слаборазвитая сеть естественных трещин, блокировка пластовой воды в микротрещинах пласта и др. [1, 2].
Повышение эффективности предварительной дегазации угольных пластов предполагает интенсификацию десорбции метана, что экономически оправданно при использовании малоэнергетических нетепловых физических воздействий. Одним из перспективных методов является воздействие на углепородный массив вибросейсмическими колебаниями[3].
В настоящее время многие работы посвящены изучению возможного положительного влияния акустического воздействия частотой 1-3 КГц за счет ослабления связей между скелетом породы и молекулами газа, теплового эффекта [4-6]. Исследования на более низких частотах проводятся крайне редко и не имеют надежной теоретической основы. Развитие подходов и технических средств в области изучения вибросейсмического воздействия на углепородный массив позволит создать теоретическую основу для новых методов и средств повышения предварительной дегазации.
Проведение исследований влияния вибросейсмических колебаний на фильтрационную способность угля предполагают решение следующих технических задач:
- приложение к исследуемому образцу напряженного состояния и постоянного потока газа, имитирующих процесс метаноотдачи из неразработанного пласта;
- обеспечение непрерывного вибросейсмического воздействия с возможностью изменения амплитуды и частоты колебаний в процессе исследований;
- разработка системы контроля времени и объема профильтрованного газа для определения коэффициента проницаемости.
Для проведения серии исследований влияния вибросейсмического воздействия на скорости фильтрации газа в образце проницаемой горной породы был разработан экспериментальный стенд, который состоит из нескольких частей: блок вибрационного воздействия, фильтрационная камера, блок регистрации, пневматическая линия.
Экспериментальный стенд
Фильтрационная камера (рис. 1) сделана из нержавеющей стали и рассчитана на давление до 300 Атм. Она состоит из обоймы и пневмоцилиндра с манжетой 1, шайбы 2, фтропластовых прокладок 3, корпуса 4, крышки 5, стопорных колец 6.
В полной сборке, вес камеры вместе с образцом не превышает 800 грамм, что позволяет проводить виброобработку маломощными источниками колебаний. Фильтрация газа через образец организована следующим образом. Камера имеет 4 линии, не сообщающиеся между собой, линии соединяются рукавами высокого давления с редукторами газовых балонов. Газ поступает в линию на крышке 5, далее фильтруется через горную породу и выходит через пневмоци-линдр в боковую линию обоймы 1. Линия в корпусе камеры позволяет создавать всестороннее сжатие образца. В торце обоймы пневмоцилиндра расположена линия, подача газа через которую приводит в движение пневмоцилиндр и обеспечивает осевое сжатие образца. Контроль за темпом подачи газа осуществляют редукторами и стрелочными манометрами.
Рис. 1. Общий вид камеры:
1 - обойма и пневмоцилиндр с манжетой; 2 - шайбы; 3 - фторопластовые прокладки; 4 - корпус; 5 - крышка; 6 - стопорные кольца
При накручивании шайбы на крышку 5 и обойму 1 происходит поджатие резиновой оболочки закрепленной на корпусе камеры. Фторопластовые прокладки не позволяют порваться резине и обеспечивают герметичное соединение по всей окружности торца корпуса.
Сборка камеры и подготовка ее к работе осуществляется следующим образом. Перед проведением исследований выбранный образец помещается в резиновую оболочку, таким образом, чтобы края выступали на 15 мм с каждой стороны. Далее керн в резиновой оболочке помещают в корпус камеры и с каждой стороны наносят герметик, как показано на рисунке 3. После полной полимеризации герметика, надевают шайбы с каждой стороны и монтируют стопорные кольца. Излишки резиновой оболочки заворачивают на корпус камеры и закрепляют с помощью суперклея. Фторопластовые прокладки размещаю на крышке 5 и обойме с пневмоцилиндром 1. Проверяют надежную фиксацию шайб стопорными кольцами и с помощью ключей накручивают на них крышку 5 и обойму 1. После сборки рекомендуется проверить герметичность при нагнетании давления в линию бокового обжима и осевого сжатия. После полной сборки, камеру размещают на специальной платформе генератора колебаний.
Блок вибрационного воздействия (рис. 2) включает в себя: генератор сигналов специальной формы, генератор вибросейсмических колебаний, систему регистрации колебаний в составе трех геофонов, подключенных к аналого-цифровому преобразователю DaqPad 6015 National instryments. Через модули сбора, данные поступают на АЦП устройства, затем посредством USB передаются на компьютер.
Рис. 2. Общий вид блока вибрационного воздействия с размещенной и подключенной фильтрационной камерой
Работа блока осуществляется следующим образом. На генераторе сигналов устанавливается необходимый уровень, форма и частота колебаний. На блоке генератора задается амплитуда. В среде Labview написана программа в которой происходит визуализация сигналов, отображается частота, амплитуда и амплитудный спектр сигналов. Данные могут быть экспортированы в Excel для дальнейшей обработки. Программа может быть запущена однократно или несколько раз в течении эксперимента для контроля вибрационного воздействия.
Регистрация профильтрованного объема газа осуществляется следующим образом. На мерный сосуд предварительно монтируют светодиодную ленту и гирлянду последовательно расположенных оптических датчиков. Датчики располагаются на специальной рейке, где отмечены места расположения светочувствительных элементов. В экспериментах использовалось 5 датчиков с 4 проверочными интервалами. Внешняя поверхность сосуда искусственно затемняется, жидкость, используемая в эксперименте - подкрашивается. Это необходимо для корректной работы светочувствительных элементов датчиков. Общий вид блока регистрации представлен на рис. 3.
Рис. 3. Блок регистрации объема профильтрованного газа
Применение датчиков на платформе ARDUINO позволяет исключить необходимость постоянного контроля за объемами вытесняемой жидкости. Так, гирлянда датчиков подключается к компьютеру и по средствам программного обеспечения LabView происходит запись не только показаний всех датчиков в формате «00000» и «11111», но также даты и времени начала эксперимента, времени срабатывания каждого датчика, изменении температуры.
Ход экспериментов и результаты
Серии экспериментальных исследований проводились на керне низкопроницаемого угля при параметрах осевого и всестороннего сжатия - 10 Атм., перепад давления фильтрации газа составлял 3 Атм. Параметры вибросейсмического воздействия были выбраны следующим образом. Частотный диапазон составил от 40 до 240 Гц, причем на частотах с 40 до 80 Гц шаг составлял 20 Гц, а на частотах с 80 до 240 Гц он составил 40 Гц. На каждой частоте было решено провести по три исследования с минимальной, медиальной и максимальной амплитудой смещения геофонов. Результатом серии исследований на одной частоте являются:
- три таблицы в формате Excel с записанными сигналами смещений геофонов для каждой амплитуды соответственно;
- три текстовых файла с временами срабатывания оптических датчиков на блоке регистрации;
- значения всестороннего и осевого сжатия, перепада давления фильтрации, для каждого эксперимента постоянны.
Обработка результатов проводилась следующим образом. Из сигнала с вертикального геофона для определенной частоты и амплитуды колебаний, с помощью преобразования Фурье, получали амплитудный спектр. После рассчитывали спектр смещения и с его помощью получали значения интенсивности колебаний. Определение коэффициента абсолютной газопроницаемости -один из стандартных видов лабораторных исследований свойств горных пород, применяемых при решении задач горного дела и подземного строительства. Времена фильтрации газа через керн угля записываются с помощью программы в текстовый файл, из него берутся значения времени для каждого интервала между светочувствительными датчиками. Усредненное значение времени используется для расчета коэффициента проницаемости К [7, 8]. На рис. 4 представлены зависимости приведенного значения коэффициента проницаемости от частоты и амплитуды вибрационного воздействия. На рис. 5 представлен трехмерный график зависимости приведенного значения коэффициента проницаемости от частоты и интенсивности вибрационного воздействия.
Рис. 4. Зависимость приведенного значения коэффициента проницаемости от (а) частоты и (Ь) амплитуды вибрационного воздействия
I
п,
-1,7
-1.8
-1.9
-2.1
-2.4
-2,2
-2,3
Рис. 5. Трехмерное изображение изменения приведенного коэффициента проницаемости в ходе всей серии экспериментов
Исходя из полученных результатов, по проведению исследования влияния долговременного монохроматическоговибрационного воздействия (сеансы до суток каждый, вся серия - несколько месяцев) частотой 40-240 Гц с интенсивность 0,2-130 Вт/м2, направленного поперек фильтрационного потока газа азота в угле, можно заключить следующее:
- вибрационное воздействие увеличивает проницаемость угля до 2,6 раз, эффект зависит от частоты вибрации;
- зависимость эффекта от амплитуды колебаний в диапазоне 0,1-20 мкм не выявлена;
- положительное долговременное последействие вибрации (несколько месяцев). Увеличение проницаемости до 2 раз.
1. Патутин А. В., Тимонин В. В., Кондратенко А. С., Рыбалкин Л. А. Комплексные исследования угольных пластов в глубоких скважинах // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2014. - Т. 2. - № 1. - С. 23-26.
2. Сердюков С. В., Дегтярева Н. В., Патутин А. В., Рыбалкин Л. А. Скважинный прецизионный дилатометр с интегрированной системой транспортирования вдоль ствола скважины // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2015. - № 4. -
3. Сердюков С. В., Рыбалкин Л. А., Азаров А. В., Дергач П. А., Сердюков А. С. Скважинный вибрационный источник для сейсмического воздействия на призабойную зону породного массива // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2016.
- № 5. - С. 186-204.
4. Jiang, Y., Song, X., Liu, H., Cui, Y. Laboratory measurements of methane desorption on coal during acoustic stimulation // International Journal of Mining Science and Technology. - 2013.
- Vol. 78. - P. 10-18.
Заключение
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
С.198-203.
5. Wang, Z., Ma, X., Wei, J., Li, N.Microwave irradiation's effect on promoting coalbed methane desorption and analysis of desorption kinetics // Fuel. - 2018. - Vol. 222. - P. 56-63.
6. Zhang, J., Li, Y.Ultrasonic vibrations and coal permeability: Laboratory experimental investigations and numerical simulations // International Journal of Mining Science and Technology. - 2017. - Vol. 27. - №. 2. - P. 221-228.
7. Sander R., Pan Z., Connell L. D. Laboratory measurement of low permeability unconventional gas reservoir rocks: a review of experimental methods, J. of Natural Gas Science and Engineering, 2017, Vol. 37. - P. 248-279.
8. Heller R., Vermylen J., Zoback M. Experimental investigation of matrix permeability of gas shales, AAPG bulletin, 2014, Vol. 98, No. 5. - P. 975-995.
REFERENCES
1. Patutin A.V., Timonin V.V., Kondratenko A.S.,Rybalkin L.A. Integrated deep-borehole study of coal beds // Journal of Fundamental and Applied Mining Sciences. - 2014. - Vol. 1. -№ 2. - P. 23-26.
2. Serdyukov S.V., Degtyareva N.V., Patutin A.V., Rybalkin L.A. Precision dilatometer with built-in system of advance along the borehole // Journal of Mining Science. - 2015. -Vol. 51. -№ 4. - P. 860-864.
3. Serdyukov S.V., Rybalkin L.A., Dergach P.A., Serdyukov A.S., Azarov A.V. Down-the-hole unbalance vibration exciter for seismic treatment of bottom-hole zone // Journal of Mining Science. 2016. T. 52. № 5. C. 1024-1030.
4. Jiang, Y., Song, X., Liu, H., Cui, Y. Laboratory measurements of methane desorption on coal during acoustic stimulation // International Journal of Mining Science and Technology. -2013. - Vol. 78. - P. 10-18.
5. Wang, Z., Ma, X., Wei, J., Li, N. Microwave irradiation's effect on promoting coalbed methane desorption and analysis of desorption kinetics // Fuel. - 2018. - Vol. 222. - P. 56-63.
6. Zhang, J., Li, Y. Ultrasonic vibrations and coal permeability: Laboratory experimental investigations and numerical simulations // International Journal of Mining Science and Technology. - 2017. - Vol. 27. - №. 2. - P. 221-228.
7. Sander R., Pan Z., Connell L. D. Laboratory measurement of low permeability unconventional gas reservoir rocks: a review of experimental methods, J. of Natural Gas Science and Engineering, 2017, Vol. 37. - P. 248-279.
8. Heller R., Vermylen J., Zoback M. Experimental investigation of matrix permeability of gas shales, AAPG bulletin, 2014, Vol. 98, No. 5. - P. 975-995.
© fl. A. PbidajiKun, A. H. ffpodnuK, 2018
