CC BY
54
----------------------------------- © Ю.Ф. Васючков, 2006
УДК 622.86
Ю.Ф. Васючков
К МЕТОДИКЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ГИДРОРАСЧЛЕНЕНИЯ ПЛАСТА ДЛЯ ЕГО ДЕГАЗАЦИИ
Часть 1
^^араметры процесса повышения проницаемости
II угольного газоносного массива
Введение
Проблема метанобезопасности до настоящего времени очень остро стоит на действующих шахтах.
Предложенные способы дегазации разрабатываемых и смежных угольных пластов, а также выработанных пространств не могут полностью удовлетворить потребности практики.
Всё чаще в газовых шахтах встречаются ситуации, когда низкая эффективность дегазации требует снижения нагрузок на очистные забои или резкого увеличения затрат на дегазацию.
Эффективным способом устранения газовых проблем шахты служит заблаговременный способ снижения текущей метаноносности пласта - его гидрорасчленение, поскольку оно проводится задолго до начала ведения горных работ
В связи с последними полученными опытными данными эффективности способа и исследований форм содержания метана в угле, в теории и практике гидрорасчленения требуют уточнения параметры как самого способа, так и количественных показателей газоемкости угля по формам связи метана с углем.
Этим вопросам и посвящена настоящая работа.
Статические показатели гидрорасчленения
К статическим показателям относятся природная мета-ноносность дегазируемого пласта хпр (м3/т), газовое давление в нем на проектной глубине Рм(МПа), геостатическое давле-
ние пород на данной глубине Ргс(МПа), ориентировочное давление гидрорасчленение пласта Ргрп (МПа), пористость тпл (%) и проницаемость угольного пласта кпл (м2)в зоне
Ргот = 10-6 -Р-Я • Н,
где р- средняя плотность горных пород, т/м3; д = 9,81 м/с2; Н-глубина от поверхности, м.
Р = (1,3 -1,6) р
± грп V 5 5 ' ± гот
Значения остальных показателей определяются опытным путём
Динамические параметры процесса ГРП
К динамическим параметрам процесса относятся: фильтрующийся Уф (м3) и трещинный объём в зоне ГРП Утр (м3), время нагнетания жидкости (воды) в режиме ГРП Тн (с), газоотдающая поверхность трещин ГРП Бгаз (м2) и начальная скорость метаноотдачи пласта в трещины ГРП 00.грп (м3/м2сут).
Базовым параметром ГРП является темп нагнетания рабочей жидкости држ. Для его определения существуют теоретические формулы, неопределенность вектора и расхода потока по трещинам внутри массива столь высока, что надежнее пользоваться опытными закачками жидкости перед началом ГРП.
В этом случае получают индикаторную кривую - зависимость давления воды Рн= f ^рж), плавно увеличивая темп нагнетания во времени. Искомый режим расчленения дгрп находят при таком темпе нагнетания жидкости, когда индикаторная кривая переходит от нарастания к падению на 10% и более. Тогда процесс гидрорасчленения и развития трещин осуществляется в рабочем режиме при темпе закачки Чрж = (1,1 -1,15) • Чгрп, м3/с
Объём закачки рабочей жидкости Узак
V = (к - Ш ,
ф V тр ' тр5
к = V / V
тр зак тр ?
К = а -Т <пЯ ф2 -И - р-ш
зак -I р.ж. н эф уг ~ п
V = 2-И -008ес
тр уг
^$1-Ц -(0,85т + 0,15)
где Уф- объем отфильтровавшейся жидкости в блоки угля при ГРП, м3; У-ф - объём образованных трещин в зоне ГРП,м3; ктр
- коэффициент кратности трещинного объёма в зоне ГРП; Тн
- время нагнетания жидкости в угольный пласт, с; Рэф - эффективный (проектный) радиус зоны ГРП, м; Иуг- суммарная мощность угольных пачек пласта, м; р - плотность угля в массиве, т/м3; т - число трещин ветвления в /-ой системе трещин ГРП; п - число раскрываемых систем трещин в массиве при его ГРП; 5| - раскрытие /-ой системы трещин, м; 1_| - протяженность в одну сторону от скважины в массиве /-ой системы трещин, м; тпор- открытая пустотность пор и трещин в зоне ГРП до дегазации, б/р.; у- угол наклона системы трещин к почве, град.
Связь эффективного радиуса дегазации с раскрытием систем трещин при ГРП
X = Д = ПЯэФ-
тах 1 п
^ кв.дл' 1
п
Ц + Ц + . . .+Ьп Ц - кв д , + Ц - кв д 2 + . . .+Ц- кв д п 11 ? кв . дл . л Я = 1 2______п = 1 в.дл. 1 2 в.дл.2_____п в.дл.п = 1_______
эф п п п
ЦЦЦ..Д =К ,:К п:К ,:...К ==5л2:5г)2:5-? ...5 2
12 3 п тр.1 тр.2 тр.3 тр.п 12 3 п
где К тр.| - проницаемость /-ой системы трещин, м2.
Тогда Ь1:Ь2 :Ь3:^:Ьп = к в.дл.1: кв.дл.2 : к в.дл.3:.....:
кв.дл.п
Время нагнетания рабочей жидкости при ГРП
г =________________^и- V)2
(4,56-Иуг •Ap)2-в-к&
2^ 2Ц (0,85ш + 0,15)
_ 1 _
где ц - вязкость рабочей жидкости, Пас; Ар = ргрп-ргс, Па; р-
коэффициент объёмного сжатия угля, Па-1; кбл- коэффициент
проницаемости блоков угля в массиве, м2.
Газоотдающая поверхность трещин ГРП 8газ, начальная
скорость метаноотдачи трещин в скважину О0 и метанодобы-
ваемость через скважину Мск
п
^газ = 2 - Иуг - 008 еС7 - Е 2 - Ц -[Ш - код.< - (Ш - 1)]
1
О0 = Хт - _0,0004^г )2 + 0,16]
М = S -Ев -I -к -к , м3/год
ск газ о.1 экс ос с.з.~
1
где код.| - коэффициент однородности системы трещин, представляющий собой отношение неразветвленной части трещины N к общей протяженности односторонней системы трещин и ; хт - текущее значение газоносности пласта после заблаговременной дегазации, м3/т; Уг- выход горючих веществ из угля на горючую массу, %; р - колличество одновременно дегазируемых пластов; 1экс- время извлечебния метана, мес; кос- коэффициент, учитывающий степень осушения пласта; кс.з.- коэффициент, учитывающий скорость затухания дебита скважины.
Выводы
Настоящая методика расчета параметров ГРП при проектировании и бизнес-планирования учитывает:
Ветвление трещин расчленения в процессе закачки рабочей жидкости, т.е. анизотропию трещинных систем пласта, При опытном определении природного раскрытия естественных трещин - возможность прогнозирования длины развития систем трещин в процессе закачки жидкости,
Реальный и весьма важный параметр - газоотдающую поверхность трещин,
Возможность прогнозирования метанодобываемости на месторождении через скважины ГРП.
Часть 2
Термодинамика извлечения связанного метана
Связанный метан
Мысль о «растворении» метана в угле ещё в 1917г. высказал Н.Н. Черницин.: «...накопилось очень много данных, свидетельствующих о существовании.других форм связи между углем и мета-
ном. различают. дсорбцию. абсорбцию. и окклюзию - не-посред-ственное поглощение, как бы растворение метана твердым телом»
К таким же представлениям примыкают суждения о наличии в угле «закрытых» пор-пустот, из которых молекулы метана, образовавшиеся в результате генезиса и метаморфизма при существующих термобарических условиях выйти в атмосферу не могут; по опытным данным доля таких пор от общей пористости составляет: в углях марок Д и Г 27,5-31,1 %, в углях марок Г и Ж 19,3-24 %, в углях марки А 87,2-100 %. Невыход метана из угля объясняли «закрытостью» пор, что физически неверно.
В. В. Ходотом было обнаружено явление поглощения метана углями в объёме, превышавшем объем газа, который может сыть сорбирован, если пористая структура образца не изменяется в процессе эксперимента. Данное явление было названо персорбцией. Подобное явление наблюдалось также Моффетом и Виллом.
Паун и Грег при измерении удельной поверхности методом адсорбции бутана на углях при давления 562 МПа обнаружили увеличение значения удельной поверхности угля.
Объём газа, выделяющегося при внезапном выбросе, значительно превышает сорбционную емкость угля, участвовавшего в выбросе.
С целью выяснения накопившихся противоречий в поведении системы «уголь-метан» в ИПКОН РАН, ДонФТИ и МГГУ в 80-х годах ХХ в. были проведены комплексные исследования её поведения при насыщении и десорбции метана.
Итоги (1935-1980 гг.) физико-химических исследований в ИГД им. А.А. Скочинского, ИПКОН РАН, МГИ-МГГУ, МакНИИ связи метана с углем.
Основными формами нахождения метана в угле являются свободный и сорбированный газ; последний содержится в основном в микропорах размером до 5-10 нм.
Из нескольких форм сорбции - адсорбция, абсорбция и хемосорбция- именно адсорбция (сгущение молекул газа на внутренней поверхности микро- и переходных пор) является преобладающим процессом метанонакопления в угле.
При дегазации массива метаноперенос к обнаженной стенке угля или к скважине происходит в начале в крупных порах, а по мере истощения природной метаноносности в метаноперенос вовлекаются все более мелкие поры - переходные и микропоры.
Петрографический состав угля оказывает значительное влияние на состояние системы, так как во многом определяет микропоровую структуру угля и степень его метаморфизма.
Перенос метана в пористо-трещиноватной среде угля описывается системой уравнений подземной гидродинамики (фильтрации газа) с введением в неё функции внутреннего
Японский сканирующий микроскоп типа JSM-50 с увеличением до х 2 000 000
Область микро- и переходных пор, связанных транспортными каналами: 1см = 320 нм
Твердый раствор метана в угле
источника метановыделения - десорбции метана из сорбционного объёма в макропоры и трещины.
Эти и другие результаты послужили основой применения в шахтах различных способов дегазации и борьбы с внезапными выбросами угля и газа, что позволило отрабатывать пласты в сложных газодинамических условиях, однако не исключили серьёзных аварий с тяжелыми последствиями.
Работами ИПКОН РАН, ДонФТИ и МГГУ установлено, что газы могут находиться в ультратонкой структуре угля в виде газоугольного твердого раствора (ГУТВ) - в межмицелляр-ных и межкристаллитных пространствах, заполненных алифатическими полимерными цепями с окислами серы, азота, фосфора в органической структуре угля (в 1994г. выдано Свидетельство на научное открытие).
Такое состояние отличается от сорбированного, так как не подчиняется классическим законам сгущения сорбата на внутренней поверхности пористо-трещиноватой структуры -
изотермы газоемкости Лэнгмюра, Брунауэра (БЭТ), Поляни и др., а также не отвечает теории мономолекулярной адсорбции (М.М.Дубинин, И.Л. Эттингер).
Условие выхода молекул газа из связанного с углем состояния - достаточная энергия активации молекул газа для преодоления энергетического барьера, создаваемого дисперсионными силами, и диффузионный режим выделения метана из угля.
Экспериментальные доказательства твердорастворенно-го состояния метана в угле
При насыщении угля метаном на спектрах ЯМР ясно проявляются протоны двух типов: с шириной линии А Н = 0,1-
0,5Э, которую дает водород метана и с шириной линии А Н = 5-6Э, которую даёт водород макромолекул угля.
На рентгенограммах имеет место увеличение межслое-вого расстояния конденсированных кристаллитов, что подтверждает внедрение молекул метана в межмицеллярную (надмолекулярную) структуру угля; об этом же говорят наши измерения набухания угля при его насыщении метаном, проведенные на квантовом генераторе ОКГ-11.
На электронном микроскопе получены снимки ультратон-кой структуры угля с местами локализации молекул метана в
межмицеллярном, межглобулярном пространстве.______________
Экспериментальное подтверждение внедрения молекул метана в ультратонкую структуру угля
Выход летучих, %
Газоемкость угля 1>>2
Газокристаллический метан
В промышленных испытаниях (шахты им. Костенко, Саранская, Сокурская и др.) прямо доказан диффузионный механизм истечения метана в дегазационные скважины расчленения, что характерно для связанного метана.
Состояние ГУВТ следует обязательно учитывать при разработке мероприятий по обеспечению метанобезопасно-сти угольных шахт.
В МГГУ (1999 г.) выдвинута гипотеза существования молекул метана внутри кристаллической углеводородной решетки ламелей и кристаллитов угольного вещества, т.е. не закрепленных молекул в гексагональной (бензольной) решетке в процессе генезиса угля, а переместившихся туда за счет межмоле-кулярного и диффузионного переноса по типу трансфузии в результате метаморфизма и геодинамики угольного вещества.
Рассмотрены виды упаковок молекул метана в ламелях угля. Может быть две формы упаковки: плотная и рыхлая. При плотной, неосесимметричной упаковке сферы соприкасаются друг с другом максимально тесно, при рыхлой, осесимметричной упаковке сферы упорядочены по осям и между ними большее расстояние, чем при плотной упаковке.
При плотной упаковке следует вводить коэффициент упаковки равный 0,743, а при рыхлой - 0,616, а также следует учесть близкодействующую силу взаимного отталкивания молекул метана между собой и от кристаллической решетки; эти силы действуют обычно на удалении от ядра молекулы не более 4-5 А, эффективный диаметр молекулы метана принят равным 6, 12 А.
Рассчитанная по такому принципу, метаноемкость угля составляет: для плотной упаковки 41, 4 м3/т, при рыхлой упаковке 34,7 м3/т.
Следствия из опытных данных
Комплексные исследования системы «уголь-метан» -электронная микроскопия, ямр, эпр, ренгеноструктурный анализ совместно с метаноемкостью угля в различных термобарических условиях - позволили установить наличие нескольких форм связи метана с ископаемым углем.
Доли объемов пустот, пор и трещин по формам связи метана с углем распределяются в зависимости от петрографического состава угля и степени его метаморфизма следующим образом: свободный связанный метан в ископаемом угле составляет 85-95 % метаноносности.
Выбор эффективного способа дегазации, добычи угольного метана или борьбы с внезапными выбросами угля и газа обязательно должен учитывать наличие связанного метана и быть направленным на извлечение, прежде всего, из массива метана 5-15 %; адсорбированный метан 20-60 %; газоугольный твердый раствор 10-40 %; газокристаллический метан 10-30 %, т.е. именного этого газа.
Таблица 1
Энергия активации форм связи метана с углём
0 3 _ 1 -о I 2 ги о. п о Ой О Форма связи метана с углем Вид переноса в угле Энергия активации, кДж/моль
Свободная Вязкое течение 2
Сорбированная Диффузия по верхности по- 17-21
Растворенная Молекулярная диффузия 170-200
Газокристаллическая Диффузия в кри- 300-400
сталлитах
Практические выводы
1. Способы обеспечения метанобезопасности шахты должны быть выбраны строго индивидуально, в зависимости от типа угля, стадии его метаморфизма, строения ультратон-кой структуры и форм связи метана с углем.
2. Индивидуальный проект метанобезопасности должен определять доли как свободного метана, так и его связанных
форм. Таблица 2
Коэффициент эффективности Способы интенсификации
дегазации Кд метаноотдачи пласта
<0,2 Механические и гидравлические
0,2-0,4 Гидрорасчленение пласта
0,4-0,6 0,6-0,7 0,7-0,9 Физико-химическая обработка Комплекс + Волновая обработка мощностью Е<200 кДж/моль Комплекс + Волновая обработка мощностью Е=500 кДж/моль
Таблица 3
Рекомендации к выбору технологии управления системой «уголь-метан»
Цель Дегазация пласта Снижение опасности выброса угля и газа Добыча и утилизация метана Снижение вредных выбросов в атмосферу
Физическая задача Снижение ме-таноносности и газового давления в пласте Снижение напряжений и газового давления в пласте Получение метана с экономической выгодой Уменьшение выделения в атмосферу парникового газа
Степень извлечения метана по формам связи Свободный - 90 %; Сорбирован- ный-70 %; Растворенный -20 % Свободный -90 %; Растворенный - 80 % Свободный-90 %; Сорбированный - 80 % Свободный - 90 %; Сорбированный - 30 %
Выбор Кд И способа управления Кд >0,6 ГРП, ФХО Кд >0,7 Комплекс волновое воздействие Кд=0,5-0,6 ГРП+ФХО Кд=0,4-0,5 Механические, гидравлические, ГРП
3. Для этого необходимо знать функцию скорости мета-ноотдачи угля В (например, показателя Ар) от соотношения свободного и связанного газа:
если В (Ар) < мм.рт.ст. (Нд ), то связанного метана 8090%,
если В = 4-7 Нд , то 60-80 %,
если В=8-12 Нд , то 30-60 % и если В>13 Нд, то 10-30 %.
4. Рекомендуемые способы интенсификации метаноот-дачи при вариации степени извлечения метана из пласта приведены в табл. 2.
Выводы
Установлены четыре основные формы содержания (связи) метана в угле.
Оценены с позиций термодинамики энергетические показатели этих связей.
Предложены способы дегазации и/или добычи метана с учетом извлечения метана из всех имеющих место форм свободного и связанного метана.
і— Коротко об авторах--------------------------------------
Васючков Юрий Федорович - профессор, доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ.
