Геолого-физические критерии прогноза перспективности дегазации угольных пластов для промышленного извлечения метана Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 10

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова,

2001 -х

УДК 622.411.33:622.817.9:661.184.35

Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова

ГЕОЛОГО-ФИЗИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ПРОГНОЗА ПЕРСПЕКТИВНОСТИ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА

И

звестно, что природные угли являются трещиновато-пористой сорбирующей средой и могут отличаться в широком диапазоне вещественным составом и структурой. Нами принимается, что структуре ископаемых углей, вне зависимости от вещественного состава, ближе всего соответствует блочная модель [1-3], согласно которой трещины, соединяясь в большинстве случаев непосредственно между собой, разбивают уголь на отдельные структурные элементы - блоки, содержащие поры различных размеров от микро-пор размером в несколько ангстрем (< 30 А) до субмакропор размером в 103-104 А (10"5-10-4 см). Проницаемость блоков пренебрежимо мала по сравнению с проницаемостью трещинной системы, в то же время блоки, благодаря развитой микропористости, являются основным резервуаром сорбированного газа.

Основная масса метана находится в адсорбционной фазе в блоках. При равновесном состоянии количество его определяется величиной концентрации (давления) свободного газа в трещинах в соответствии с законами адсорбции. При истечении метана по трещинной системе угольного пласта в скважину происходит приток его с периферии области влияния скважины, а также приток метана к трещинам из блоков. Истечение метана по трещинам происходит в режиме фильтрации и может быть описано уравнениями, основанными на законе Дарси, а движение газа в

блоках уравнениями, основанными на законе Фика, применимом для описания диффузии.

Таким образом, согласно принятой нами физической модели:

• газоносность угольных пластов определяется объемом и распределением пор и трещин, способностью тонких пор сорбировать газ;

• истечение метана по трещинам происходит в режиме фильтрации по закону Дарси, а выделение газа из структурных блоков в режиме диффузии по закону Фика;

• при истечении метана по системе трещин угольного пласта в скважину происходит приток его с периферии области влияния скважины, а также приток метана к трещинам из блоков;

• газопроницаемость угольных пластов определяется их трещиноватостью, которая формируется как в процессе генезиса углей (эндогенная), так и в результате тектонических процессов (экзогенная).

Исходя из того, что газопроницаемость угля определяется его трещиноватостью, а скорость диффузии газа из структурного блока должна определяться, прежде всего, его размерами, рассмотрим более подробно экспериментальные данные характеризующие количественно трещиноватость углей и размер структурных блоков.

Наиболее полные исследования трещиноватости и структуры углей всех стадий метаморфизма и различной степени тектонической нарушенно-сти были выполнены в ГИАН и в ИГД им. А.А. Скочинского Штеренбергом Л.Е. и Премыслер ЮС.

Обобщенную классификацию типов углей по степени нарушенности и строения на основе этих исследований можно представить в следующем виде (см. таблицу).

Анализ геолого-структурных характеристик различных типов углей приведенных в таблице показывает, что угли I - II

Таблица

ТИПЫ УГЛЕЙ ПО СТЕПЕНИ ТЕКТОНИЧЕСКОЙ НАРУШЕННОСТИ.

Степень (тип) нарушенности угля Трещиноватость, блеск Среднее расстояние между трещинами в аншлифе, мм Прочность угля

1-ненару- шенные Угли блестящие и полублестящие. Обычно две - три системы трещин эндокливажа и одна система трещин экзокливажа. Характер отдельностей - часто пластинчатой и столбчатой 4,0 Крепкие. Раздавливаются с трудом до зерен неправильной формы

П-малона- рушенные Угли блестящие и полублестящие. Характер эндокливажа тот же. Не менее двух систем трещин экзокливажа. Характер отдельностей -кроме пластинчатой и столбчатой может быть гребенчатая, ромбоэдрическая и пирамидальная 1,9 Довольно крепкие. Истираются с трудом до зерен размерами 0,5-0,1 см

Ш-сильно- нарушенные Блеск угля чаще тусклосвинцовый. Эндогенные трещины затушеваны не менее трехчетырех систем экзогенных трещин. Характер отдельностей обычно неясный, реже мелкогребенчатый 1,20 Непрочные, довольно легко растираются в порошок

^-раздроб- ленные Блеск угля полуматовый. Эндогенные трещины не наблюдаются, экзокливаж не различим 0,88 Малопрочные, легко растираются до пыли

V-перетертые Блеск угля матовый с буроватым оттенком. Эндокливаж и экзокливаж не различимы 0,56 То же, иногда несколько крепче за счет вторичной минерализации

степени нарушенности имеют достаточно хорошо выраженную систему трещин эндо и экзокливажа, которая может обеспечивать более или менее эффективную фильтрацию газа. При этом структурные блоки угля, из которых происходит истечение метана в режиме диффузии, имеют небольшие размеры 0,3-2 см, следовательно, диффузия метана из них может произойти достаточно быстро при условии, если фильтрация газа по системам трещин не будет ее задерживать.

Угли III степени нарушенности имеют более частую сетку трещин, но качество ее в смысле выдержанности по простиранию без нарушений становится хуже, что резко снижает ее фильтрационный потенциал.

Угли IV и V степени тектонической нарушен-ности имеют сильно нарушенное строение и хотя трещиноватость их высока, она хаотична и делает проницаемость этого угля близкой к нулю.

Газопроницаемость угольных пластов может быть определена методом, применяемым в_неф-тяной промышленности [4], нашедшем также применение в угольной промышленности [2, 3], по формуле Ромма

Ь31 3

^ = А— = АЬ Ь (3)

5*

где ^ - трещинная проницаемость в мД; А -численный коэффициент, зависящий от геометрии системы трещин; Ь - ширина, раскрытие трещины, мм; I - суммарная длина трещин, мм; 5 - площадь шлифа в мм2; Ь - удельная длина трещин, мм"1.

Следует отметить, что ученые Австралии и США пользуются почти аналогичной выше приведенной формуле Ромма формулой Скотта [5], в соответствии с которой газопроницаемость угля определяется так

W3 * ч

ks =— 84,4 • 105, см2 (4)

где Ж - щель кливажа, см; Z - шаг кливажа, см; ^ - проницаемость, см2.

Согласно этой зависимости проницаемость угля определяется не только частотой (удельной длиной) трещин, но в еще большей степени величиной их раскрытия. Исследования показали, что прочные угли (I степени тектонической на-рушенности) имеют, в среднем, удельную длину трещин 0,5 мм-1 при их раскрытии 0,027 мм,

Рис. 1. Кинетика выделения метана из структурных блоков R = 0,75 см:

а) слабо нарушенного угля (I - II степень нарушенности);

б) нарушенного угля (IV степень нарушенности)

а малопрочные тектонически нарушенные угли (V степени нарушенности) имеют соответственно среднюю удельную длину трещин равную 3,6 мм"1, при величине раскрытия трещин всего 0,004 мм. При таких параметрах трещиноватости газопроницаемость углей прочных (I степени тектонической нарушенности) в соответствии с вышеприведенной формулой 3 превышает газопроницаемость углей малопрочных (V степени нарушенности) в 48,2 раз. Таким образом, газопроницаемость углей прочных и тектонически ненарушенных превышает газопроницаемость углей малопрочных, сильно тектонически нарушенных примерно в 50 раз. Интересно отметить, что эта важная особенность косвенно подтверждается также американскими данными, согласно которым угли бассейна Сан-Хуан, особенно благоприятные для извлечения метана, отличаются высокой хрупкостью и газопроницаемостью.

Анализируя эти результаты оценки газопроницаемости, следует учитывать, что в расчетах, выполняемых по формуле 3, используются данные о величине раскрытия трещин Ь, полученные на образцах угля, разгруженных от горного давления. Вместе с тем из практики горных работ хорошо известно, что газопроницаемость угольных пластов в зонах разгрузки от горного давления резко возрастает и, наоборот, в зонах в зонах повышения горного давления она резко уменьшается. Таким образом, для оценки газопроницаемости угольных пластов в природных условиях необходимо учитывать их напряженное состояние.

Для определения газопроницаемости углей с учетом их напряженного состояния выполнялись специальные экспериментальные исследования на лабораторной фильтрационной установке [6]. Как следует из полученных экспериментальных данных, газопроницаемость угля при возрастании напряжений сжатия от 1 МПа до 10 МПа уменьшается не менее чем в 10-20 раз. После достижения напряжений сжатия свыше 7 = 10^15 МПа проницаемость угля начинает изменяться от величины действующих напряжений уже не так заметно. Получена

следующая зависимость, связывающая газопроницаемость угля с действующим напряжением сжатия:

k = (ао~Ь - с) ■ 10-13

где k - коэффициент газопроницаемости, м2; о - напряжения, МПа; а, Ь, с -эмпирические коэффициенты.

Для практических оценочных расчетов с учетом вышеуказанного лабораторного эксперимента, а также натурных данных [7]

к

— = 100 или ко = ко

100

(5)

где k7 - коэффициент газопроницаемости,

скорректированный с учетом сжимающего действия горного давления для глубин Н > 400 м (т.е. а > 10 МПа); kт - коэффициент трещиной газопроницаемости угля, разгруженного от горного давления, определяется по формуле (3).

На основании полученных производственных данных и экспериментальных испытаний скважин установлено [5], что высокая продуктивность скважин связана с хорошо выраженным кливажем. При этом показано, что высокая газоотдача угольных пластов часто встречается там, где направление максимальных тектонических напряжений параллельно главному кливажу. Главные кливажи обычно являются трещинами растяжения, которые идут параллельно тектоническому сжатию и перпендикулярно минимальному напряжению.

Анизотропное отношение проницаемости главного кливажа к проницаемости второстепенного кливажа находится в пределах от 5 до 10. На участке угольного бассейна Сан-Хуан [8] зарегистрировано отношение 6. Вышеуказанная анизотропия проницаемости и ее связь с тектоническими напряжениями отмечается также отечественными исследователями [9] и должна приниматься во внимание.

Относительное количество метана, десорбирующегося из угля и выделяющегося из кусков (блоков) угля можно определить по формуле [2, 3]

д(^ = 1 - — ■ ехР

2 2 - П П

В t R2 А

(6)

где q(t) - отношение количества газа десорби-ровшегося за время t, с к сорбционной емкости

П

угля; (показатель диффузии); D - эффективный коэффициент диффузии метана в угле, см2/с; А -коэффициент адсорбции, отношение сорбционной емкости угля (а, см3/г) к содержанию свободного газа в порах угля (у0,см3/г), т.е. А=аЫ0; R -радиус куска (структурного блока) угля, см.

На рис. 1. показаны графики кинетики газо-выделения (диффузии) метана из кусков (структурных блоков) угля размером R = 0,75 см при значении А = 0,98 для прочного угля 1-11 степени тектонической нарушенности D = 4-10-6, см2/с (рис. 1.а) и нарушенного угля IV степень нарушенности: D = 4-10-4, см2/с (рис. 1.б)

Как следует из графиков, из нарушенного угля метан выделяется значительно быстрее. Так при R = 0,75 см из структурного блока слабо нарушенного угля за время 1 = 106 с (11,6 суток) десорбируется приблизительно 70 % ^(1) = 0,7) метана, а за время 1 = 105 с (27,8 час.) только около 30 % метана. Из нарушенного угля со структурными блоками того же размера за время 1 = 6-104 с (16,7 час.) выделится уже около 80 % метана, а за время 1 = 105 с (27,8 час.) выделяется 90 % метана.

Эти результаты подтверждают, что способность угля к метаноотдаче практически полностью определяется его фильтрационными свойствами.

Установлено, что в качестве базовых показателей преимущественно определяющих способность угольных пластов к газоотдаче целесообразно рассматривать взаимосвязь следующих трех свойств угля: прочность - трещиноватость -газопроницаемость.

Критерий выбора перспективных участков добычи метана в конечном итоге должен быть функцией следующих показателей: природной газоносности Х, газопроницаемости ,, показателя диффузии q(t) мощности пласта m, величины горного давления о, и, в общем виде, может быть представлен как

A = А(Х, ,, q(t), m, о,) (7)

Газоносность угольных пластов Х и их мощность т определяются стандартными методами по

а)

А := 98 Б :=4-10

-6

Я :=0.75

б)

А := 98

Б := 4 -10

-4

Я :=0.75

геологоразведочным данным. Напряженное состояние участков угольных пластов о, определяется качественно (зоны разгрузки, зоны повышенных напряжений) методами тектонофизики и геодинамики.

Методы определения газопроницаемости , и показателя диффузии q(t) е5ё1$аш аи0а. Ва^баааоиаааопу оаежа пиша йбаааёаюу ошёишб 1ёапо1а к по геологоразведочным данным на основе использования экспериментальных зависимостей прочность - трещиноватость - газопроницаемость.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Яновская М.Ф., Коган Г.Л.

О модели пористой структуры ис-

копаемых углей. - Хим. тверд. Топлива, 1968, № 5, С.26-32.

2. Физико-химия газодинамических явлений в шахтах. М., «Наука», 1972, 140 с.

3. Иванов Б.М., Фейт Г.Н., Яновская М.Ф. Механические и физико-химические свойства уг-

лей выбросоопасных пластов. М., «Наука», 1979, 195 с.

4. Справочная книга по добыче нефти. М., «Недра», 1974, 704 с.

5. Массаротто П., Рудольф

В., Гольдинг С. Новое оборудование по определению З-Д проницаемости помогает решать проблемы выделения метана. « Сокращение эмиссии метана». Доклады II Международной конференции. Новосибирск. Изд-во СО-РАН. 2000. С.392-402.

6. Васючкова Г.К., Фейт Г.Н. Исследование газопроницаемости выбросоопасных углей высокой степени тектонической на-рушенности. «Прогноз и предотвращение газодинамических явлений в угольных шахтах». Науч. сообщ./Ин-т горн. дела им. А.А. Скочинского. - 1982ю Вып. 209. -

С. 23-27.

7. Карманский А.Т. Изучение газо-гидродинамического состояния пород и угля. «Уголь», 1994, № 7, С.45-47.

8. Мавор М.Дж., Робинсон Дж.Р. Анализ исследований газовых пластов коллекторов и полостей скважин. Международный симпозиум по вопросам метана угольных пластов. Т. 1. 1993. С. 233-246.

9. Кнуренко В.А., Рудаков В.А. Зональность газодинамических явлений в шахтах Кузбасса Кемерово. 1998. 226 с.

10. Петухов И.М., Батугина И.М. Геодинамика недр. - М. Недра. 1996. 217с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Фейт Герман Николаевич - чл.-корр. РАН, доктор технических наук, ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского.

Малинникова Ольга Николаевна - кандидат технических наук, ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского.

^^