Исследование влияния виброчувствительности горных пород на метаноотдачу угольных пластов при вибросейсмическом воздействии Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Н.В. Макарюк, В.И. Клишин, С.С. Золотых, 2002

УДК 622.411.332

Н.В. Макарюк, В.И. Клишин, С.С. Золотых

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИБРОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД НА МЕТАНООТДАЧУ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПРИ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

И

звестно, что снижение эффективности предварительной дегазации с глубиной залегания не разрушенных от горного давления метанонасыщенных (до 40 м3/т) угольных пластов, а также бесшахтных («промысловых») способов извлечения и промышленной утилизации углеметана на площадях, не освоенных угольной промышленностью месторождений, обусловлено прежде всего ухудшением коллекторских свойств и фильтрационных параметров (газопроницаемости) угольных пластов и повышением сорбционной способности углей в связи с ростом степени их метаморфизма и горного давления [1, 2, 10]. Эти факторы неблагоприятно отражаются на производственно-экономических показателях работы угольных шахт и газовых промыслов в значительном увеличении сроков заблаговременной дегазации (1-5 лет) и низких объемах каптируемого метана, не обеспечивающих окупаемости затрат на бурение, оборудование и эксплуатацию дегазационных скважин. В связи с этим актуальной становится задача исследования и разработки нетрадиционных физико-технических технологий, основанных на применении искусственных методов стимулирования газоотдачи неразгруженных угольных пластов при извлечении сорбированного метана из скважин, пробуренных с дневной поверхности [3, 15].

Сложная система «уголь-пласт», представленная свободным (около 10 %) и в основном абсорбирован- г= ным метаном (в виде твердого углегазового раствора), является весьма чувствительной к динамике силовых (например, при разгрузке пласта) и температурных полей. Поэтому динамически неустойчивая система «уголь-газ» может физически распадаться под воздействием таких полей, обуславливая тем самым обратимость сорбционных процессов и переход сорбированного метана в свободную фазу [1, 9].

Опыт экспериментального изучения виброчувствительности нефтегазовых коллекторов [7, 11, 13,

14] приводит к убедительному выводу, что процессы десорбции и фильтрации углеметана можно активизировать путем вибрационного воздействия на не-

разгруженные угольные пласты низкочастотными (до 15 Гц) сейсмическими полями, возбуждаемыми мощным наземным виброисточником (рис. 1). Термин «виброчувствительность» (А.В. Николаев [8]) выражает качество горных пород, в том числе углевмещающих, заключающееся в их способности изменять состояние и геомеханические свойства под влиянием сейсмической вибрации. Виброчувствительность проявляется в целом ряде эффектов, зависящих от частоты, интенсивности и природы сейсмической волны. Основным эффектом, характеризующим виброчувствительность горных пород, является возрастание их сейсмической активности (эмиссии), обусловленное изменением напряженно-деформированного состояния и увеличением трещиноватости при криповом течении под действием вибрации горного массива как реальной (геофи-зи-ческой) среды, соответствующей нелинейной блочноиерархической модели М.А. Садовского [12].

Эталонными (природными) внешними воздействиями, вызывающими относительно слабые изменения естественного фона сейсмоэмиссионного процесса в горном массиве, являются смена лунно-солнечных фаз (приливов) и связанные с этим вариации гравитационных и геомагнитных полей, а также геотектонические процессы [5,8]. Искусственное вибровоздействие создает в нелинейной среде поле квазипостоянных деформаций относительного разряжения [8], резко активизирующее сейсмоэмисионные процессы в горном массиве.

На рис. 2 представлены 6-секундные участки сейсмограмм, зарегистрированных в флюидонасыщенном пласте карбонатно-трещиноватого типа мощностью 400 м на глубине 3500 м, которые характеризуют виброчувствительность пласта на различных частотах, возбуждаемых наземным виброисточником в низкочастотном интервале от 7 до 10 Гц. Из этих графиков четко видно, что существует определенная доминантная частота (возможно - несколько частот) вибровоздействия, равная fд = 8 Гц и соответствующая

Рис. 2. Экспериментальные сейсмограммы изменения сейсмической «шумности» пласта на глубине 3500 м при различных частотах вибровоздействия

резонансной частоте сейсмоэмисионного возбуждения блочных структур пласта [12]. На доминантной частоте виброчувствительность пласта максимальна и может быть количественно оценена как увеличение его «сейсмической шум-ности», т.е. амплитуды и частоты следования сейсмоэмис-сионных импульсов N = 12/6 = 2 (имп/с). С точки зрения улучшения фильтрационных характеристик пласта (абсолютной проницаемости), каждый единичный импульс на сейсмограмме (/ = 8 Гц) обусловлен нарушением его сплошности и образованием одной трещины, проницаемость которой k1 соответствует согласно экспериментальной формуле Бусинеска [4]:

к1 = ^/12, (1) где к - величина раскрытия трещины.

Полученные экспериментальные данные по различным продуктивным пластам показали, что доминантная частота

вибросейсмического воздействия является сугубо индивидуальной для каждого из них (и даже для отдельных участков пласта). Поэтому для экспериментального определения доминантных частот различных пластов (участков) вибрационное воздействие должно быть поличастотным с достаточно широким интервалом изменения частоты возбуждения (/ = 5-15 Гц).

Согласно современным представлениям угольный пласт можно также рассматривать как трещиновато-пористую среду, разбитую естественными трещинами и макропорами на отдельные блоки, содержащие сорбированный газ, который десорбируется в диффузионном режиме и перемещается по трещинам в свободном состоянии в режиме фильтрации [1]. Неразгруженные угольные пласты, вскрытые вертикальными скважинами, пробуренными в дневной поверхности вкрест простирания пласта (рис. 1), находятся под воздействием горного давления а = р gH , где р - плотность горных пород, Н - глубина залегания пласта. С его увеличением возрастает количество блоков в угольном пласте, устойчивость которых может превысить критическое состояние, независимо от газового (порового) давления в пласте р» , которое может существенно изменяться при фильтрации газа вне зоны влияния горных выработок. Это объясняется низкой природной пористостью углей (т < 0,05), при которой скелетное (эффективное) напряжение ас в блочных структурах пласта всегда будет близко к горному давлению: а - Р» т _

1 - т

При таких условиях напряженно-деформи-рованного состояния скелета породы значительно уменьшается величина дополнительной энергии, необходимой для приведения блоков в состояние «растрескивания». При использовании в качестве дополнительной энергии («спускового крючка») виб-росейсмического воздействия пороговый уровень плотности

Рис. 3. График изменения удельной газоотдачи при вибросейсмичес-ком воздействии на метанонасыщенный угольный пласт

Рис. 1. Схема сейсмоволнового вибровоздействия на метанонасыщенный угольный пласт: Р - продольная волна; SV - вертикально-поляризованная поперечная волна

его потока сейсмической мощности на глубинах до 1 км не превышает 10'3-10'4 Вт/см2 [8, 11]. Предварительная оценка динамических характеристик сейсмических волн, излучаемых наземным виброисточником, с учетом их геометрического расхождения и поглощения в покровных осадочных образованиях показывает, что такой интенсивности сейсмические поля в угольных пластах могут создавать наземные виброисточники, развивающие усилия порядка 50 тс в выбранном частотном диапазоне 5-15 Гц.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что при достаточно длительном вибровоздействии в неразгруженном угольном пласте возможно образование и распространение системы сообщающихся мегатрещиноватостей, как вероятных зон локальной разгрузки, способствующих увеличению газопроницаемости, десорбции и магистральной фильтрации метана из угольных пластов к дегазационным скважинам. Изменение удельной газоотдачи неразгруженных угольных пластов при осесимметричной фильтрации метана к вертикальным скважинам сухого поля (при отсутствии пластовой воды) до и после вибровоздействия можно оценить по формуле [2,

9]:

Чо =-

к* И

-Ро

Р0

1п

1 +

лк* 11И

т +-

раЪ Р0 (1 + 0,66Ьр» )

• fp

-Ро

А

г0

(м3/м-с) (2)

где р» - газовое давление, Па; р0 - давление в забое скважины, Па (р» - ро - депрессия); г0 - радиус скважины, м; и -динамическая вязкость метана, Па-с; а -предельная сорбционная способность угля, м3/кг; Ь - константа изотермы сорбции (Лэнгмюра), Па-1; т - природная пористость угля; к* - природная газопроницаемость пласта, м2; t - время дегазации, с; р - плотность угля, кг/м3.

До вибровоздействия приведенная проницаемость пласта равняется его природной проницаемости, т.е.: к* = к (/ < (в), (3)

где и - время включения виброисточника.

При вибровоздействии величина приведенной проницаемости пласта будет определяться суммой природной проницаемости и проницаемостью наведенной вибрацией системы мегатрещиноватостей в пласте:

к* = к + кТ ^ > tв), (4)

где

кт = к • N • &в (5)

есть «вибрационная» проницаемость, определяемая проницаемостью одной трещины согласно (1), виброчувствительностью пласта на доминантной частоте N (количество образовавшихся трещин в единицу времени) и длительностью вибровоздействия &в = t — tв .

Результаты оценочного расчета удельной газоотдачи угольного пласта согласно (2), (3), (4), (5) графически изображены на рис. 3. В расчетах были приняты следующие значения величин:

л

к =0,01 мД; т = 0,05; и = 1,03-10-5 Па-с; р» = 30-105 Па; р0 = 1 • 105 Па; Г0 = 0,15 м; а = 20 м3/т; Ь = 5 МПа-1; р = 2,2 т/м3; к = 10-2 мкм; N = 0,1 имп/с; tв = 10 сут.

Как следует из графика изменения удельной газоотдачи пласта, имеющего среднюю природную проницаемость (к = 0,01 мД) и виброчувствительность (М = 0,1 имп/с), вибро-сейсмическое воздействие длительностью не более 0,5 суток может повысить дебит метана из вертикальной скважины более чем на три порядка. Кроме этого, если условно принять величину требуемого периода заблаговременной дегазации пласта до безопасной по выбросу его метанонасы-щенности (6-8 м3/т) равной 1000 суток (рис. 3), то применение вибровоздействия сокращает этот срок до 100 суток.

При вибровоздействии на метанонасыщенные угольные пласты следует учитывать тот факт, что они могут иметь различную структуру природной трещиноватости: хаотическую, полигональную нормальносекущую, кососекущую и др. [5]. Поэтому для повышения эффективности вибровоздействия необходимо использовать различные типы волн (Р; БУ, рис. 1), что обеспечивает многоволновой характер вибровоздействия, который достигается соответствующей поляризацией наземного виброисточника (вертикальный или горизонтальной, рис. 1). При этом поскольку величина участка пласта, охватываемого вибровоздействием, лежит в пределах сейсмолучевой трубки (рис. 1), то наземный виброисточник должен обладать площадной мобильностью в границах залегания пласта.

В ИГД СО РАН проводятся научно-экспери-ментальные исследования и опытно-конструк-торские работы, направленные на разработку в 2002-2004 гг. физико-технических основ «Скважин-ной интенсивной технологии промышленного извлечения углеметана методом вибросейсмического

Рис. 4. Колесно-мобильный вибрационный сейсмоисточник с амплитудой силы 50 тс в диапазоне 5-15 Гц (транспортное положение)

Рис. 5. Колесно-мобильный вибрационный сейсмоисточник с амплитудой силы 50 тс в диапазоне 5-15 Гц (рабочее положение)

воздействия на ненарушенные углевмещающие массивы, подготавливаемые к отработке, а также залегающие на больших глубинах неосвоенных угольных месторождений». Одним из основных этапов в настоящее время является разработка модернизированного опытно-промышленного образца многоволнового передвижного (в буксируемом варианта) виброисточника с амплитудой силы 50 тс в диапазоне 5-15 Гц (рис. 4, 5) в комплекте с аппаратурой электропитания и электронного управления. Данный вибросейсмиче-ский комплекс планируется использовать в качестве технической базы в горно-промышленных испытаниях опытной технологии вибровоздействия на угольных месторождениях Кузбасса.

К ожидаемым практическим результатам опытнопромышленной реализации данной технологии можно отнести:

• «промысловое» извлечение и промышленная утилизация углеметана с больших глубин (1000-1500 м) угольных месторождений путем каптирования его высокодебит-ными (до 40 тыс. м3/сут) вертикальными и наклонными скважинами, пробуренными с поверхности;

• повышение эффективности и значительное сокращение сроков (до 2-3 месяцев) заблаговременной дегазации

подготавливаемых к выемке метанонасыщенных (до 40 м3/т) угольных пластов;

• снижение (устранение) выбросоопасности и повышение безопасности труда при отработке угольных пластов путем уменьшения их природной газоностости (ниже 8 м3/т) и газообильности горных выработок (менее 3 м3/мин);

• повышение производительности очистных забоев до уровня, соответствующего техническим возможностям современного выемочного оборудования (5000-8000 т/сут), по газовому фактору за счет сокращения временных и трудозатрат на шахтные дегазационные и вентиляционные работы.

------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горные науки: Освоение и сохранение недр Земли/Под ред. акад. К.Н. Трубецкого. - М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. - 480 с.

2. Проблемы разработки метаноносных пластов в Кузнецком угольном бас-сейне/Ю.Н. Малышев, Ю.Л. Худин, М.П. Васильчук и др. - М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. - 463 с.

3. Малышев Ю.Н., Трубецкой К.Н., Айруни А.Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. - М.: Изд-во Академии горных наук, 2000. - 519 с.

4. Мирзаджанзаде А.Х., Аметов И.М., Ковалев А.Г. Физика нефтяного и го-зового пласта. - М.: Недра, 1992. - 272 с.

5. Егоров П.В., Штумпф Г.Г., Ре-нев А.А. и др. Геомеханика: Учебное пособие / Кузбасс. гос. техн. ун-т. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2001.- 276 с.

6. Кузнецов С.В., Кригман Р.Н.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Природная проницаемость угольных пластов и методы ее определения. - М.: Наука, 1978. - 124 с.

7. Гадиев С.М. Использование вибрации в добыче нефти. - М.: Недра, 1977. -159 с.

8. Проблемы нелинейной сейсмики. - М.: Наука, 1987. - 288 с.

9. Айруни А.Т. Основы предварительной дегазации угольных пластов на больших глубинах. - М.: Наука, 1970. - 80 с.

10. Эттингер И.Л. Необъятные

запасы и непредсказуемые катастрофы. -

М.: Наука, 1988. - 175 с.

11. Опыт изучения виброчувстви-

тельности горных пород с помощью сейсмического воздействия / В.В.Кузнецов, А.С.Алешин, А.С.Беляков и др. - М.: Изд. ИФЗ АН СССР, 1987. - 22 с.

12. Садовский М.А. Естественная

кусковатость горной породы // Докл. АН

СССР, 1979. - Т. 274, № 4, с. 829-831.

13. Садовский М.А., Абасов М.Т., Николаев А.В. Перспективы вибрационного воздействия на нефтяную залежь с целью повышения нефтеотдачи // Вестник АН СССР, № 9, 1988, с. 95-99.

14. Дывленко В.П., Туфанов И.А.Ю, Шариффулин Р.Я. Эффекты взаимодействия сейсмоакустических волн с флюидами в нефтяных пластах // Тезисы докл. регион. Конф. «Динамические задачи механики сплошной среды. Теоретические и прикладные вопросы вибрационного просвечивания Земли». - Краснодар: Изд. КубГУ, 1990, с. 74-75.

15. Золотых С.С. Метан как полезное ископаемое//ТЭК и ресурсы Кузбасса. - Кемерово, 2001, с. 45^7.

Макарюк Н.В. — кандидат технических наук, ИГД СО РАН, г. Новосибирск.

Клишин В.И. — доктор технических наук, ИГД СО РАН, г. Новосибирск.

Золотых С.С. — кандидат технических наук, ОАО «Угольная компания «Кузбассуголь», г. Кемерово.