CC BY
40
УДК 622.411
A.А. Шилов, Н.И. Грибанов, С.Н. Терещенко,
B.А. Стадник
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ЖИДКИХ ГОРЮЧЕ-ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ СОСТАВОВ С ЦЕЛЬЮ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ ДЕГАЗАЦИОННЫХ СКВАЖИН НА УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
УВазработка высокогазоносных угольных пластов и интенси-
-МГ фикация угледобычи требует решения проблемы дегазации, как самого разрабатываемого пласта, так и всей угленосной толщи.
Как показали исследования [1-5], касающихся способов активного воздействия на метаноносный низкопроницаемый угольный пласт через подземные скважины и пробуренные с поверхности, проводимых рядом научных организаций:
• пока не найдены эффективные и производительные методы повышения газопроницаемости и интенсификации газоотдачи метаноносных угольных пластов;
• возможности существующих способов ограничены, поскольку эффективность дегазации (снижение газообильности горных выработок) при их применении в среднем составляет 50-75%, что не обеспечивает необходимую степень дегазации, особенно на глубинах более 500-600 м.
Наиболее перспективным направлением развития активных способов воздействия является разработка силовых высокоэнергетических способов, способных развивать природные и создавать новые системы трещин. Это, в первую очередь, совершенствование технологий и параметров гидровоздействия и разработка гидроимпульсных, газогидроимпульсных и импульсно-волновых способов и технологий их применения.
Выполненные нами исследования связаны с одним из известных способов интенсификации пластов - газогидроимпульсным способом, основанном, на применении жидких маловязких горючеокислительных составов (ГОС). Обращение к нему обусловлено
необходимостью выполнения экономически выгодных эффективных обработок скважин по проекту на производство работ по добыче и использованию метана на поле ликвидированной шахты «Капитальная» в южном Кузбассе, по которому предусмотрено бурение 5 вертикальных скважин глубиной до 800 м с применением технологий по активации газопритока из выработанных пространств.
Как технология интенсификации притоков нефтяных скважин способ газогидроимпульсного разрыва пласта с применением ГОС был впервые разработан в конце 80-х годов в ОАО «ВНИПИвзрыв-геофизика», под руководством академика В.П.Челышева [6]. Учитывая достаточно высокую эффективность этого способа при обработке нефтяных скважин [7], считаем возможным его адаптацию к условиям дегазационных скважин с поверхности на угольных месторождениях.
ГОС - гомогенные высококонцентрированные водные растворы окислителя и горючего. В настоящее время наибольшее практическое применение имеет ГОС типа ВНАМ - водный раствор нитрата аммония и мочевины, с которым нами выполнено ряд стендовых экспериментов. Иногда в практике обработки скважин используют другие типы ГОС, где в качестве горючего применяют глицерин, этиленгликоль или тосол.
Характеристика основных свойств различных рецептур ГОС приведена в табл. 1, где для сравнения приведены также свойства порохов, применяемых для изготовления пороховых газогенераторов.
Как видно, энергетические свойства ГОС примерно в 1,5 раза ниже порохов. Важно отметить, что они сильно зависят от % содержания воды.
Основные достоинства данного способа:
• простота приготовления растворов ГОС на месте применения (непосредственно у устья скважины) высокоэнергетических составов из дешёвых и доступных компонентов, которые в обычных условиях не относятся к категории взрывчатых и пожароопасных веществ;
• приготовленные ГОС нетоксичны, пожаро- и взрывобезопасны в обращении при любых реально возможных воздействиях на поверхности;
Таблица 1
Тип пороха и ГОС Плот- ность, г/см3 Баллисти- ческая сила, МДж/кг Температура горения, К Объём газообразных продуктов, л/кг Примене-ние
1 2 3 4 5 6
Баллиститные 1,57- 0,885- 1876- 800- ПГДБК,
пороха 1,61 1,100 3000 1215 АДС, ПГРИ-100, ПГД-100 и др.
ГОС 1,25- 0,306- 766- 800- 500-1000 л
1,35 0,666 1712 1090 раствора и поджиг генератором
Примечание: Объём газообразных продуктов приведен к нормальным условиям (Р = 0,1 МПа, Т = 20 °С)_____________________________________________________
• возможность регулирования амплитудно-временных характеристик импульсов давления за счёт изменения рецептуры состава и источника воспламенения;
• длительность положительной фазы импульса давления может достигать 5 и более секунд, что приводит к образованию остаточных трещин длиной до 20-25 м, шириной 2-5 мм.
Существующие технологии применения ГОС рассчитаны на обработку достаточно глубоких скважин, более 1100-1200 м. ГОС в объёме 400-1000 л размещается в интервале обработки, затем, для исключения выброса, уровень жидкости в скважине снижается на 150-200 м от устья. Поджиг ГОС осуществляется пороховым газогенератором с массой заряда 3-10 кг, спускаемым в заданный интервал на геофизическом кабеле. Гидростатическое давление в скважине должно быть свыше 9-10 МПа, иначе работоспособность ГОС (устойчивое горение) не гарантируется. Для таких условий обработки дегазационных скважин на угольных месторождениях, имеющих глубину не более 1200 м, необходима разработка соответствующих технологий.
С теоретической точки зрения проблема устойчивого горения ГОС связана с выполнением двух критических условий.
Первое критическое условие - для инициирования горения ГОС, начальное давление в реакционном объёме должно
Рис. 1. Осциллограмма "давление - время" при испытании ГОС в СВД при начальным(гидростатическом) давлении 10,15 и 20 МПа
быть равным 12-14 МПа. Это связано с тем, что интенсивный термораспад горючего и окислителя с выделением энергии происходит только при температуре на менее 300 оС. Получить такую температуру можно лишь при указанных давлениях, когда температура кипения воды равна 290-300 оС. При более низких давлениях температуру раствора невозможно поднять до необходимой до полного испарения воды.
Это следует из теоретических и экспериментальных исследований описанных графиками и приведенных на рис. 1 [6]. Во всех опытах сжигалось по 300 мл ГОС, воспламенение осуществлялось электровоспламенителем ЭВПТ и дополнительным пороховым зарядом массой 28 г.
Второе критическое условие - источник воспламенения должен обладать энергией достаточной для обеспечения прогрева раствора до температуры кипения воды и инициирования интенсивных реакций термораспада.
Что касается второго критического условия, то следует отметить следующее. В инструкциях и регламентах по применению ГОС в качестве источников воспламенения предусмотрены пороховые или пиротехнические газогенерирующие устройства, энергоёмкость которых не менее 10-15 МДж (это 2,5-3 кг пороха) и продолжительность горения не менее 0,2 с; при низких гидроста-
тических давлениях должны быть приняты специальные меры по герметизации зоны горения путём пакерующих средств.
Следует подчеркнуть, что все экспериментальные исследования, выполнявшиеся ранее с ГОС, по времени ограничиваются 1990 годом и они явно недостаточны для характеристики его свойств, особенно касающихся вопросов реакционной способности при применении различных воспламенителей.
На наш взгляд, одним из вариантов создания технологии с использованием ГОС для обработки дегазационных скважин на угольных месторождениях может быть применение взрывных источников воспламенения, например детонирующих шнуров (ДШ). При этом значительно сокращаются расходы на обработку, связанные с затратами на пороховые газогенераторы, появляется возможность разработки технологии циклического воздействия. Решается и такая важная задача, как равномерный охват призабойной зоны пласта трещиноватостью за счёт того, что передний фронт создаваемого импульса давления будет иметь ударный характер, то есть повышается эффективность воздействия призабойной зоны пласта в скважине, чего нельзя достичь не при каких активных циклических воздействиях.
С целью проверки этого предположения были выполнены стендовые испытания ГОС в условиях атмосферного давления. Основная ставка при таком подходе к воспламенению ГОС сделана на высокое начальное давление, создаваемое ДШ, и, предположительно, высокую реакционную способность прилегающего к нему слоя ГОС. Испытания выполнены в бронекамере КВ-2 испытательной лаборатории МГГУ кафедры «Взрывного дела». Схема испытаний показана на рис. 2.
Для приготовления ГОС использовались аммиачная селитра (ГОСТ 2-85 Б), карбамид (ТУ 2387-007-34827805) и вода. Соотношение компонентов 60:10:30 масс. %. Такой состав имеет плотность 1,31 г/см3, температуру горения 1005 оС, баллистическую силу 0,5 МДж/кг. Выбор соотношения компонентов состава сделан на основе его многолетнего промышленного применения при обработке нефтяных скважин, где он показал хорошие эксплуатационные характеристики (стабильность воспламенения пороховыми газогенераторами, щадящее воздействие на обсадную колонну).
З аг пушка
Металлический сосуд Электропровода
ГОС
Т ермоэнергетическии е о с плате ннте ль Крешерный приБор
Рис. 2. Схема испытаний ГОС
Выбор рецептур воспламенителей для поджига ГОС в стендовых условиях был сделан с учётом выхода, в конечном итоге, на использование штатных электровоспламенителей и детонирующих устройств.
Для измерения максимального давления Ртах, создаваемого газообразными продуктами воспламенителя и ГОС, использовался крешерный прибор.
Пробы ГОС объёмом 470 мл заливались в стальной сосуд объёмом 500 мл, изготовленный из 2-х дюймовой трубы с размерами: диаметр 58,5 мм, толщина стенки 3,5 мм, высота 250 мм. После заливки ГОС, в сосуд опускались крешерный прибор и электровоспламенитель, состоящий из полиэтиленовой трубки с внутренним диаметром 7,1 мм и толщиной стенки 0,1 мм, заполненной высокоэнергетическим смесевым составом. Воспламенитель размещался
в придонной части сосуда, электропровода от него выводились через 2-х мм отверстие в
Таблица 2
Результаты испытаний ГОС типа ВНАМ
№№ п/п Состав Воспламенитель Ртах, МПа Результат опыта
1 Вода Смесь перхлората аммония + уротропина + алюминия, масса 5 г 95,2 Раздутие сосуда на 1,0 мм, воспламенения не было
2 ВНАМ То же 123,6 Раздутие в центре сосуда на 6,3 мм, сорвало верхнюю крышку, сгорание не полное
3 ВНАМ То же 121,1 Раздутие сосуда вверху, в центре и снизу на 3,0-4,1 мм, остальное аналогично опыту 2
4 ВНАМ Смесь нитрата натрия + уротропина + Алюминия, масса 3,5 г 95,8 Раздутие на 1,0 мм, воспламенения не было
5 ВНАМ То же, но масса 5 г 96,7 То же
заглушке. Недолив сосуда составлял 8 мм. Для сравнения выполнен один холостой опыт с водой. Результаты испытаний представлены в табл. 2.
Выполненные стендовые испытания позволили сделать следующие выводы:
1. ГОС в частично замкнутом объёме и при начальном давлении, равном атмосферному, стабильно воспламеняется смесевым составом навеской 5 г, содержащим в качестве окислителя перхлорат аммония. Воспламенитель, содержащий в качестве окислителя нитрат натрия, не пригоден для воспламенения ГОС в аналогичных условиях, так как его энергетические свойства значительно ниже.
2. Оба типа воспламенителей горят в режиме близком к детонации и создают высокоскоростной и интенсивный импульс давления. Однако только воспламенитель на основе перхлората аммония создаёт термобарические условия, необходимые для воспламенения ГОС.
3. Определены, на первом этапе стендовых испытаний, ориентировочно необходимые параметры воспламенителя. Его скорость горения близка к взрывному превращению, масса - не менее 5 г, плотность - 0,95 г/см3, длина - не менее 140 мм, теплота сгорания -
не менее 1000-1200 ккал/кг, объём газообразных продуктов горения - 650 л/кг. Импульс давления, создаваемый ДШ, должен быть более 100 МПа. Энергетические характеристики такого воспламенителя близки к характеристикам детонирующего шнура ДШВ, который в виде шнуровой торпеды можно рекомендовать в качестве воспламенителя ГОС при испытаниях в дегазационных скважинах.
4. Подтверждена высокая эффективность применения ГОС для создания равномерной сети трещин в низкопроницаемой присква-жинной зоне пласта, что повысит эффективность извлечения угольного метана, а также возможность создания циклической технологии для обработки угольных пластов.
---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пучков Л.А., Сластунов С.В., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. - М.: Изд. МГГУ, 2002, - 383 с.
2. Методология оценки перспектив промышленной добычи метана в Печорском угольном бассейне / Л.А. Пучков, С.В. Сластунов, А.В. Агарков, А.А. Шилов
- М.: Издательство «Институт ИСПИН», 2003. - 560 с.
3. Забурдяев В.С., Забурдяев Г.С. Способы интенсификации газоотдачи неразгруженных пластов угля в подземных условиях. ГИАБ, - М.: Изд. МГГУ, 2005, Тематическое приложение МЕТАН, с. 271-283.
4. Малышев Ю.Н., Зверев И.В., Айруни А.Т. Новые высокоэффективные технологии предварительной дегазации разрабатываемых угольных пластов. ГИАБ, -М.: Изд. МГГУ, 2005, Тематическое приложение МЕТАН, с. 256-269.
5. Пудовкин Ю.В. Интенсификация газоотдачи пласта в скважинах при взрывоимпульсном воздействии. Научные сообщ. / Ин-т горн. дела им. А.А. Скочин-ского, 1989, с. 158-161.
6. Колясов С.М., Крощенко В.Д., Челышев В.П. и др. Маловязкие горючеокислительные составы для обработки продуктивных пластов в целях повышения производительности скважин. В сб. Прострелочно-взрывные и импульсные виды работ в скважинах, с. 82-94. - М.: ВИЭМС, 1989.
7. Грибанов Н.И., Крощенко В.Д., Любимов В.С., Михайлов А.А. и др. Газодинамический разрыв пласта с применением жидких горюче-окислительных составов. НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС, вып. 60, 1999, с. 67-74.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------
Шилов А.А. - кандидат технических наук, кафедра ИЗОС,
Грибанов Н.И. - инженер, кафедра ИЗОС,
Терещенко С.Н. - инженер, кафедра ИЗОС,
СтадникВ.А. - зав. лабораторией кафедры РГПВ,
Московский государственный горный университет.
• © В. С. Забурдяев, 20071
