CC BY
61
УДК 622.02+622.831.325.3
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДА БАРЬЕРНОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ
Татьяна Викторовна Шилова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, аспирант, тел. (383)335-96-42, e-mail: [email protected]
Леонид Алексеевич Рыбалкин
Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, студент, e-mail: leonid.rybalkin@,gmail. com
Андрей Владимирович Патутин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, аспирант, тел. (383)335-96-42, e-mail: [email protected]
Сергей Владимирович Сердюков
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией физических методов воздействия на массив горных пород, тел. (383)335-96-42, e-mail: [email protected]
В статье приведены результаты физического моделирования способа барьерного экранирования для улучшения герметизации дегазационных скважин угольных пластов.
Выявлено, что применение барьерного экранирования с давлением в экране на 1 МПа меньше давления сжатия экрана вмещающей средой снижает фильтрацию воздуха не менее чем в 135 раз, а при давлении, равном его сжатию, не менее чем в 560 раз. Наилучшие результаты получены для двухслойной конструкции экрана с внешним слоем из полиакрилатной пропитки и внутренней полостью с вязким индустриальным маслом.
Ключевые слова: физическое моделирование, дегазация угольных пластов, барьерное экранирование, герметизация скважин.
PHYSICAL MODELING OF BARRIER SHIELDING
Tatiana V. Shilova
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Postgraduate Student, tel. (383)335-96-42, e-mail: shilovatanya@yandex .ru
Leonid A. Rybalkin
Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogova St., Postgraduate Student, e-mail: [email protected]
Andrey V. Patutin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Postgraduate Student, tel. (383)335-96-42, e-mail: [email protected]
Sergey V. Serdyukov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Head of Laboratory for Physical Treatment of Rock Mass, tel. (383)335 9642, e-mail:[email protected]
The article describes physical modeling of barrier shielding aimed to improve sealing of coal degassing wells. It has been found that the barrier shielding with the shield pressure 1 MPa lower than the shield compression by the enclosing rock mass decreases 135 times air filtration; when the shield pressure and the shield compression are equal in value, the air leak reduction is 560 times. The best sealing is gained with the two-layer shield, with the outer layer manufactured as polyacrylate impregnation and the inner layer made of viscous industrial oil.
Key words: physical modeling, coal degassing, barrier shielding, well sealing.
Надежная герметизация дегазационных скважин, пробуренных из горных выработок, является основным способом борьбы с подсосами воздуха из горной выработки, которые снижают эффективность дегазации, ведут к образованию опасной метановоздушной смеси и затрудняют промышленное использование газа.
В статье предложен способ барьерного экранирования дегазационных скважин угольных пластов, приведены результаты его физического моделирования. В горной породе, окружающей скважину, создается поперечный оси скважины экран, заполненный вязкой жидкостью под небольшим давлением, который препятствует фильтрации воздуха из горной выработки в дегазационную скважину. Физическое моделирование проводилось с целью исследования влияния различных наполнителей экрана на его газопроницаемость, выбора оптимальных параметров экрана в зависимости от условий окружающего массива.
Для физического моделирования был разработан стенд, состоящий из испытательной камеры и пневмогидравлической системы со встроенными в нее средствами измерения (рис. 1). Подробное описание стенда приведено в работе [1]. Вся конструкция позволяет моделировать напряженное состояние горной породы, обеспечивает прокачку через образец горной породы воздуха, а также подачу в пространство между кренами, моделирующего барьерный экран, жидкого герметика под давлением.
На первом этапе эксперименты проводились с образцами угля. Для заполнения модели экрана использовались анаэробный пропитывающий
Л
герметик «Анатерм-1» (кинем. вязкость 14 мм /с) (ТУ 6-01-1300-85),
Л
гидроизолирующая пропитка "Гидрофакс-Аэро" (кинем. вязкость 3-4 мм /с), силиконовый герметик RTV-LSR (вязкость 110 Па*с).
Для имитации расположения барьерного экрана в зоне разгрузки горной выработки, максимальное значение одноосного сжатия в экспериментах было ограничено величиной 4МПа. Боковое сжатие выбиралось равным одноосному сжатию (равномерное напряженное состояние). Качество герметизации оценивалось по разнице давлений в аккумуляторе АК1 через 60 и 30с после выключения вакуумного насоса - закрытия вентиля ВН1 (рис. 1). На рис. 2 приведены результаты исследований герметика «Анатерм-1», давшего лучшие результаты из трех экспериментальных жидкостей -зависимость качества герметизации от разницы давлений Р3-Р2.
атмосфера
Рис. 1. Пневмогидравлическая система:
Н1 - вакуумный насос; Н2 - гидравлический ручной насос высокого давления; Н3 - пресс-расходомер; ВН1-ВН3 - вентили, МН2-МН4 - манометры высокого давления; МН1 - манометр разряжения; А1 - испытательная камера стенда; АК1 - газовый аккумулятор; КД1 - клапан давления регулируемый
Рис. 2. Зависимости величины восстановления давления Р1 в аккумуляторе АК1 в интервале времени от 30 до 60 с. после выключения вакуумного
насоса
от разницы значений осевого сжатияP3 и давления герметика "Анатерм-1"
в модели экрана P2
По результатам экспериментов выявлено, что для достижения качественной герметизации дегазационных скважин давление герметика в экране не должно отличаться от сжимающего напряжения более чем на 15 бар (на рис. 2 на отрезке АВ в диапазоне Р3-Р2 от 0 до, примерно, 15 бар, качество герметизации наилучшее и мало зависит от значения Р3-Р2.). Для выполнения дальнейших испытаний был отобран герметик «Анатерм - 1».
На втором этапе проводились эксперименты по влиянию барьерного экранирования на газопроницаемость среды. Оценка проницаемости проводилась по методике и расчетным формулам ГОСТ 26450.2-85 [2].
Измерения расхода газа выполнялось реометром РКС-1, соответствующим техническим условиям ГОСТ 9932-75 [3]. Эксперименты проводились в условиях равномерного сжатия модели давлением 3МПа.
В результате испытаний в лабораторных условиях получено, что применение барьерного экранирования с давлением в экране на 1 МПа меньше давления сжатия экрана вмещающей средой, снижает газопроницаемость среды не менее чем в 135 раз, а при давлении в экране равном его сжатию, не менее чем в 560 раз.
В ходе проведенных испытаний выявлено, что применение полимеризующейся рабочей жидкости вызывает серьезные проблемы при очистке и техобслуживании оборудования. С другой стороны закачка высоковязких жидкостей предъявляет повышенные требования к насосному оборудованию, гидравлической арматуре и соединителям. Наилучшим выходом является применение рабочих жидкостей, вязкость которых возрастает после их закачки в полость барьерного экрана, а также составов, которые полимеризуются в трещине гидроразрыва, но не полимеризуются внутри оборудования. С учетом этого для дальнейших экспериментов было выбрано гидравлическое масло марки МГЕ-46В (предварительно нагретое, при остывании в углепородном массиве оно увеличивает свою вязкость) и двухкомпонентный акрилатный гель CarboCrilHv (смешение компонент происходит непосредственно в полости барьерного экрана).
На третьем этапе эксперименты проводили с использованием кернов песчаника диаметром 30 мм, высотой 30 мм, пористостью 20%. Для моделирования напряженного состояния вмещающего массива в месте установки барьерного экрана осевое сжатие модели меняли. Значение бокового сжатия во всех экспериментах составляло 5 МПа, а температуры окружающей среды - от 18 до 20 °С. Результаты обработки данных для гидравлического масла МГЕ-46В представлены на рис. 3,4.
По результатам экспериментов выявлено, что оба исследуемых состава обеспечивают достаточное (в 100 и более раз) снижение газопроницаемости при давлениях не ниже давления осевого сжатия модели. Такое давление достаточно для раскрытия полости экрана, его заполнения рабочей жидкостью и создания сплошного непроницаемого экрана.
По результатам проведенных лабораторных исследований для возведения барьерных экранов предлагается применение сразу нескольких испытанных герметиков. Разработана схема трехэтапной постановки барьерного экрана.
На каждом из этапов закачиваются различные рабочие жидкости:
1. Формирование внешней изоляционной корки (двухкомпонентный акрилатный гель CarboCrilHv низкой вязкости) вокруг полости экрана.
2. Закачка основного заполнителя экрана, гидравлическое масло марки МГЕ-46В, нагретое до температуры 40-50° С, в полость экрана.
3. Формирование на устье трещины пробки, запирающей полость экрана с помощью полимеризующегося двухкомпонентного состава CarboCrilWv.
Рис. 3,4. Зависимость газопроницаемости модели Кг от давления гидравлического масла МГЕ-46В в барьерном экране Рэ при повышении (>) и снижении (<) давления. Условия эксперимента: давление осевого сжатия модели 40 бар (рис. 3), 50бар (рис. 4), бокового обжима 50 бар;
температура 20 °С
Результаты физического моделирования показали, что применение барьерного экранирования с давлением в экране на 1МПа меньше давления сжатия экрана вмещающей средой снижает фильтрацию воздуха не менее чем в 135 раз, а при давлении равном его сжатию, не менее чем в 560 раз. Наиболее подходящими заполнителями экрана оказались двухкомпонентные акрилатные гели CarboCrilHv, CarboCrilWv, гидравлическое масло МГЕ-46В. Также разработана двухслойная конструкция экрана, которая позволяет без сложностей прокачивать герметики до полости барьерного экрана, исключает применение дорогих растворителей для очистки оборудования, устраняет необходимость использования оборудования для поддержания экрана в раскрытом состоянии.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №14-05-31175).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Shilova T., Patutin A., Serdyukov S. Sealing quality increasing of coal seam gas drainage wells by barrier screening method // 13th SGEM Geo Conference on Science and Technologies In Geology, Exploration and Mining, SGEM2013 Conference Proceedings, June 16-22, 2013. - Vol. 1. - P. 701-707.
2. ГОСТ 26450.2-85. Породы горные. Метод определения коэффициента абсолютной газопроницаемости при стационарной и нестационарной фильтрации. - Введ. 1985-02-27. -М. : Изд-во стандартов 1985. -17.с.
3. ГОСТ 9932-75. Реометры стеклянные лабораторные. Технические условия. - Введ. 1977-01-01. - М.: Изд-во стандартов 1994. - 21.с.
© Т. В. Шилова, Л. А. Рыбалкин, А. В. Патутин, С. В. Сердюков, 2014
