CC BY
46
Московский государственный горный университет
УШ СЕМИНАР 3 ,шШ
I ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -99”
МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
П
Î: ^ В.А. Бобин, В.В. Гурьянов,
: С.В. Кузнецов, В.Н. Одинцев,
!: !: !: . В.А. Трофимов, И.В. Зверев,
I: i: i: I: М.О. Долгова, А.В. Подгаецкий ;; ;; ;; ;; !!Д.В. Соболева, 2000
УДК 622.817.9:661.184.35
В.А. Бобин, В.В. Гурьянов, С.В. Кузнецов,
В.Н. Одинцев, В.А. Трофимов, И.В. Зверев,
М. О. Долгова, А.В. Подгаецкий, Д.В. Соболева
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СКВАЖИННОЙ ДОБЫЧИ МЕТАНА ИЗ НЕРАЗГРУЖЕННЫХ
ри разработке газоносных угольных пластов среди традиционных проблем, таких как проветривание горных выработок, взрывы метана в шахтах, внезапные выбросы угля и газа, дегазация угольных пластов [I], в последние годы актуальной стала проблема извлечения метана из неразгруженных угольных пластов с помощью добычных скважин.
При этом основными факторами, определяющими массоперенос метана в угольных пластах являются проницаемость газоносных пластов и пластовое давление газа в них [2].
Анализ результатов многолетних измерений пластового давления газа позволяет сформулировать следующие фундаментальные научные положения, определяющие природное состояние неразгруженных угольных пластов:
1. Газоносные угольные пласты в нетронутом состоянии непроницаемы всюду ниже зоны выветривания, в них нет фильтрационных каналов, несмотря на множество разных трещин и пор. Все отдельности угля, образованные этими трещинами под действием горного давления на протяжении соответствующих геологических периодов достаточно плотно прижаты друг к другу. В результате в неразгруженных угольных пластах не образуется общая
система каналов, в которых /движение
шшш! і ішішішши йрадиі
енте давления.
2. В газоносных угольных пластах около горных выработок и вокруг скважин образуются проницаемые зоны. с которыми связано газовыделе-ние из пласта, причем их параметры зависят от развития деформационных процессов в угле.
3. Давление, которое устанавливается в герметически перекрытой скважине в нетронутом газоносном угольном пласте, соответствует уровню раскрытия трещин опор. с которого начинают проявляться фильтрационные свойства пласта около границы проницаемой зоны.
4. Угольное вещество обладает способностью накапливать метан в различных формах, при этом было установлено, что газ. находящийся в свободном состоянии внутри пор. трещин и других дефектах сплошности угля в естественных условиях его залегания составляет 2-12%; газ, адсорбированный на поверхностях дефектов сплошности - 8-16 %; газ. распределенный в межмолекулярном пространстве (собственно твердый газоугольный раствор) -70-80 %; химически сорбированный газ 1-2 %; газ в клатратоподобных структурах - 1-3 % [3].
Таким образом, неразгруженный от горного давления угольный пласт представляет собой газоносную по-
ристую систему, которая имеет замкнутые. изолированные между собой поры и является газоносной не фильтрующей средой.
Разгрузка такой среды от горного давления приводит к увеличению проницаемости и появлению трещин и объединению их в фильтрационные каналы, что в свою очередь увеличивает количество десорбированного метана и газовыделению его в промысловую скважину.
При этом учитывается, что растворенный метан является фактором, способствующим росту трещин. Его участие в развитии трещины может быть двояким. Во-первых, растворенный метан снижает эффективную трещиностойкость угля, разрывая микроструктурные связи при изменении напряженного состояния угольного скелета. Во-вторых, растворенный метан может входить в трещину в свободном состоянии и участвовать непосредственно в развитии трещины.
Разрыв микроструктурных связей в угольном веществе осуществляется за счет энергии межмолекулярного отталкивания молекул метана, которая определяет поведение этих молекул на коротких дистанциях, и описывается математически потенциалом Леннарда - Джонса, при этом разрыв связей является ключевым явлением процесса трансформации микроструктуры природного угля [4].
При этом было установлено, что удельная поверхностная энергия угля для чисто водородных структурных связей в два раза выше, чем для ван-дер-ваальсовых связей, и оценивается величиной порядка 1,2 Н/м. Это, в свою очередь, позволило оценить модуль сцепления для угля, который характеризует значение его трещино-стойкости. Расчеты показали, что по максимуму величины коэффициент трещиностойкости для газонасыщенного микропористого угольного вещества в 6-7 раз, а по минимуму - в 2 раза меньше, чем для дегазированного угля.
Эти данные доказывают, что сорбированный газ обладает упругостью, ранее не учитываемой при анализе системы уголь-метан, а его наличие в угле в несколько раз уменьшает значение трещиностойкости, что необходимо
Г орный информационно-аналитический бюллетень
Л®1
учитывать при определении условий образования магистральных трещин в угле.
Математическую основу механизма распада структурных связей в угольном веществе при изменении его напряженно-деформированного состояния составляют уравнения, определяющие силовой и энергетический критерии трансформации микроструктуры угля за счет энергии сорбированного в микропорах газа; а также соотношение, оценивающее количество сорбированного газа, способного к мгновенному выделению в макротрещину за счет трансформации микроструктуры угля.
Расчеты с использованием силового и энергетического критериев разрыва связей в угольном веществе показали, что для разрыва вандервааль-совых связей необходимо, чтобы плотность метана в микропоре была порядка 0,6 г/см3, соответственно для водородных и межатомных связей -0,67 г/см3, 0,74 г/см3 .
Сравнение этих величин со значениями плотности метана, полученные экспериментально, показывают на незначительное расхождение сравниваемых величин, что связано с оценкой энергии межмолекулярного отталкивания по минимуму величины без учета тройных взаимодействий между молекулами сорбата.
При описании процесса формирования газового давления в макротрещине, было разработано физико-математи-ческое описание кинетики десорбции из суперсорбционных частиц, способных практически мгновенно (в течение первых нескольких секунд) выделять весь сорбированный в них газ. Эти суперсорбционные частицы сосредоточены по всей поверхности газоразрывной трещины, а их размер оценивался по аналитическим выражениям, связывающим между собой размер суперсорбционных частиц с размерами окружающих их транспортных каналов и значением диффузионных параметров кинетики десорбции.
Вычисления показали, что размер суперсорбционных частиц, который определяет высоту приповерхностного слоя, окружающего газоразрывную магистральную трещину, в зависимости от условий трансформации мик-
роструктуры угля составляет величину порядка (5-50). 103 А, при этом количество сорбированного газа, практически мгновенно выделяющегося в объеме газоразрывной трещины составляет при тех же условиях 9-23% от величины сорбирующегося газа, рассчитанного для равновесных условий.
В рамках этих представлений количественно оценивается влияние сорбированного (растворенного) метана на приращение длины трещины при повышении давления рабочего агента в пробуренной скважине (камере). Показано, что в режиме квазистатического разрыва с точки зрения механики разрушения оба рабочих агента (вода и газ) имеют почти одинаковую эффективность.
По-другому реализуется механизм развития трещины пневморазрыва в режиме динамического разрушения, когда в скважине (камере) задается импульс давления и оценивается величина динамического проскока трещины разрыва. Величина проскока трещины находится из системы уравнений, описывающей равновесное состояние трещины и условие "мгновенного" выхода растворенного газа в трещину с ее поверхности.
Из решения этой системы уравнений (с учетом уравнения состояния свободного газа) следует, что при динамическом проскоке трещины пневморазрыва участие растворенного метана в развитии трещины наиболее эффективно.
Лабораторное моделирование процессов, протекающих в угольном веществе при распаде твердых газоугольных растворов, показало, что при изменении внешних термодинамических условий, в частности при разрушении пласта пневморасчленением, или под влиянием других механических воздействий, кинетика газовыде-ления определяется функцией [5]
ехр(X - (1 - Ggc) 1п(10 - Т)
где Gmin - константа, численно равная среднему минимальному значению концентрации твердого газоугольного раствора, ее значение может колебаться в незначительных пределах : от 0,7 до 0,75; принято для всех газоносных пластов Gmin = 0,71; х - параметр газовыделения, примерно равный 4,9; То =1 -минимальный времен-
ной интервал; Т - время в минутах; Ggc - коэффициент , зависящий от типа твердого газоугольного раствора. Величины х и Ggc функционально связаны с вещественным составом углей и их структурно-химическими параметрами.
Для определения некоторых из этих структурно-химических параметров природных углей были отобраны пробы углей верхне- и нижне-балахонской свит Кузбасса в интервале глубин 50-390 м. Пробоотбор проводился на 6 пластах на полях шахт им. Волкова, Северная, Бирюлинская, Первомайская.
Для исследованных углей отмечается отличие от ранее установленных закономерностей структурно-
химических параметров, состоящее в том, что, например, параметр ^02 в интервале глубин 300-400 м для исследованных проб возрастает, что свидетельствует о потере структурной устойчивости, обычно отмечающихся в областях пликативных нарушений угольных пластов; отмечается такая же тенденция и для других параметров.
Прогноз изменения параметра ^°2 характеризующего степень упорядоченности органического вещества угля, и определяющий в том числе и его реакционную способность, может строиться исходя из эмпирического уравнения [6]
d002 ф) = К * 1п (0,5 * 1п h +
+ 10 d002),
которое отражает структурный отклик органического вещества угля на увеличение глубины его залегания.
Наблюдаемые отличия свидетельствует о том, что на глубинах более 300м для исследованных шахтопла-стов характерно некоторое снижение устойчивости твердого газоугольного раствора.
Таким образом, по результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1) физическую основу скважинной добычи метана из неразгруженного угольного пласта представляют такие фундаментальные понятия горных наук как напряженно-деформирован-ное состояние угольного пласта, его проницаемость, пластовое давление и твердый раствор метана в угольном веществе;
2) газоносный угольный пласт в не-
разгруженном горном массиве непроницаем, т.е. массоперенос за счет градиента пластового давления отсутствует;
3) растворенный метан является фактором, способствующим росту трещин, при этом он снижает эффективную трещиностойкость угля, разры-
1. Кузнецов С.В., Айруни А.Т. Некоторые вопросы теории дегазации
2. неразгруженных от горного давления угольных пластов. М., Ин-т физики Земли АН СССР, 1970.
3. Кузнецов С. В., Кригман Р.М. Природная проницаемость угольных пластов и методы ее определения. М., «Наука», 1971, 122 с.
4. Airuni А.Т., Zvегеv I. V., Ей^ег I.L. апd its/ Investigation the role plaied by solid gas-coal solution in outburst hazard formation// Ргосееding of 23 International соnferеnсе of safety in ^еа^ institute/ Washington, 1989, р. 505 - 514.
нения внешних термодинамических условий, в которых находится угольный пласт. Причем для исследованных пластов установлено, что на глубине более 300 метров проявляется некоторое снижение устойчивости твердого газоугольного раствора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. БобинВА., ЗимаковБМ., ОдинцевВ.Н. Оценка энергии межмолекулярного отталкивания молекул сорбата в микропорах угля. ФТПРПИ, №1, 1989, с. 60 -67.
6. Алексеев А.Д., Айруни А.Т., Зверев И.В. и др. Распад газоугольных растворов. ФТПРПИ,
7. № 3, 1994, с. 65-70.
8. Айруни А.Т., Бобин ВА., Зверев И.В. и др. Прогнозирование и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах. М., Наука, 1987, 342 с.
вая микроструктурные связи, а также в свободном состоянии входит в трещину и участвует непосредственно в ее развитии;
4) газовыделение метана в скважину является результатом распада системы «уголь-метан» за счет изме-
У------------------------------------------------“
Бобин В.А., Гурьянов, В.В., Кузнецов, С.В., Одинцев, В.Н., Трофимов, В.А., Зверев И.В., Долгова М.О., Подгиецкии А.В., Соболева Д.В. ИПКОН РАН
