CC BY
1
7. Tarakanov O.V., Belyakova E.A. The effect of superplasticizers on the plasticity of cement and mineral pastes // Concrete technologies. 2013. No.2. pp. 18-20.
8. Shah S N R., Aslam M, Oad R. Behavior of Normal Concrete Us-ing Superplasti-cizer under Different Curing Regimes // Pak. J. Engg. & Appl. Sci., 2014. Vol. 15. Pp. 87-94.
9. Montyanova A.N., Garkavi M.S., Kosova N.S. Specific features and effectiveness of additives in laying mixtures // GIAB. 2009. No. 9. pp. 287-295.
10. Technology of laying works at mining enterprises of the Republic of Kazakhstan / L. A. Krupnik, Yu. N. Shaposhnik, S. N. Shaposhnik, A. K. Tursunbayeva // Physico-technical problems of mining. 2013. No. 1. pp. 95-105.
11. Krupnik L.A., Agapova N.P., Abdikalikova R.S. Improvement of rheological characteristics of hardening filler mixtures and hardening of filler arrays with the addition of surfactants // Bulletin of KazNTU. 2011. No. 2. pp. 10-14.
УДК 622.272:622.831
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ СКВАЖИННОЙ ДОБЫЧИ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
В.Н. Одинцев, Н.А. Милетенко, Е.В. Федоров
Эффективность добычи метана из метаноугольных месторождений обусловлена во многом природными (геологическими и геомеханическими) факторами, которые влияют на условия десорбции и выхода метана из угольного пласта. Моделируются геомеханические условия аномально высокой метаноотдачи пласта, обусловленной высокой техногенной проницаемостью угольного пласта вблизи скважины. Новизна исследований состоит в учете усадки угольного вещества при десорбции связанного метана. Показано, что усадка угля может приводить к образованию открытых магистральных трещин, которые изменяют напряженно- деформированное состояние пласта и могут быть причиной его высокой метаноотдачи.
Ключевые слова: метаноугольные месторождения, десорбция, техногенная проницаемость, магистральные трещины, напряженно- деформированное состояние.
Введение
Освоение земных недр с помощью скважинной геотехнологии определяет важное направление исследований в горной науке и практике [1, 2]. Скважинная добыча метана из угольных пластов входит в круг особых интересов. Эта тематика обусловлена не только экономическими [3, 4], но и экологическими проблемами современного общества, поскольку скважинная добыча снижает поступление метана в атмосферу из угольных пластов [5]. Более того, опережающая добыча метана может обеспечить последующую метанобезопасную подземную угледобычу [6] без пожаров и взрывов метана в шахтах.
Однако добыча метана из угольных пластов связана с рядом научно-технических проблем. Одной из них является непонимание причин сильного различия продуктивности добычных скважин при условно рав-
ной газоносности угольных пластов. Например, средний дебит метана из скважин бассейна Сан-Хуана (США) около 17 м3 в 1 мин при газоносности пласта 15-20м3/т и среднем сроке функционирования скважины 10 лет. В то же время дебит скважин в других бассейнах США при той же технологии добычи составлял, примерно, 0,8 м3/мин [7, 8]. В качестве причин такого различия называют геологические особенности угольных пластов. На наш взгляд целесообразно дополнительно исследовать геомеханические условия качественного различия режимов добычи метана из угольных пластов.
Каменный уголь является уникальным геоматериалом, проявляющим коллекторские свойства, заметно отличающиеся от других пород. В пластах каменного угля формируются условно два типа пор. Имеются макропоры с характерным размером порядка миллиметра. Они могут содержать свободный метан. Появление макропор связывается с процессами формирования пласта. Однако наиболее характерны для угля микропоры с размером от нанометра до микрона. В них метан находится в сорбированном состоянии. Микропоры образуются при формировании угольного вещества, когда значительную роль играет метаногенез. Микропоры находятся в твердом скелете угля, в угольной матрице. Сорбция метана вызывает объемное набухание угольной матрицы порядка процента [9 -11]. Наоборот, десорбция приводит к усадке угольной матрицы.
Нетронутый угольный пласт имеет очень низкую природную проницаемость, порядка миллидарси [12]. Некоторые исследователи, опираясь на данные натурных экспериментов, считают нетронутые угольные пласты даже изначально непроницаемыми [13, 14]. Проницаемость угольных пластов изменяется под влиянием различных техногенных воздействий на пласт, хотя технологически далеко не всегда удается добиться необходимой метаноотдачи пласта.
Вместе с тем, иногда промышленное извлечение метана из угольных пластов сопровождается увеличением их проницаемости без дополнительных технологических мероприятий. Так, по результатам долговременных систематических исследований добычи метана на пластах формации Фрутленд бассейна Сан-Хуан с оценкой выхода газа, расходов воды и изменений давления газа было установлено, что в первые годы по мере добычи метана проницаемость пласта увеличивается экспоненциально. Коэффициент увеличения проницаемости, определяемый как отношение максимальной проницаемости к значению проницаемости в начальном состоянии, может возрасти более чем в сто раз [7]. Затем проницаемость выходит на стационарный уровень.
Естественное увеличение проницаемости пласта по мере извлечения из него метана не может быть объяснено с помощью традиционных моделей упругой среды, содержащей газ в порах различной геометрии. Были предложены новые модели, которые так или иначе включали поня-
тие усадки твердого скелета [15 - 20]. Эти модели позволили лучше понять геопроцессы, которые происходят вблизи добычных скважин. Однако в предложенных моделях усадки детально не рассматривалось возможное образование трещин вблизи скважин, хотя трещины усадки в других материалах, например, в грунте или древесине при высыхании имеют большое значение.
В работах [21 - 25] обсуждаются различные подходы к анализу растрескивания материалов разной природы при усадке. Показано, в частности, что при формировании поля растягивающих напряжений, вызванных усадкой, трещины растут достаточно медленно в квазистатическом режиме. Ниже мы используем подходы механики сплошной среды и линейной механики трещин для объяснения особенностей трещинообразования в угольном пласте вблизи скважины.
1. Постановка задач исследований
Рассматриваем угольный пласт, содержащий адсорбированный и абсорбированный (растворенный) метан в порах и внутри угольного вещества. Считаем пласт изначально непроницаемым и не содержащим природную воду. При бурении скважины в пласте локально изменяется его напряженно-деформированное состояние (НДС), что приводит к появлению проницаемости пласта вблизи скважины и началу в этой области процесса активной десорбции метана и его фильтрации в скважину.
Целью наших исследований является анализ геомеханических условий роста области влияния скважины и в этой связи мы учитываем комплексное взаимодействие следующих факторов: 1) усадку пласта при десорбции метана; 2) природное горное давление; 3) трещинообразование; 4) давление свободного метана, образующегося при десорбции связанного метана.
Определяющим фактором является усадка угольного вещества. Рост деформаций усадки способствует появлению вблизи скважины растягивающих напряжений, которые вызывают развитие новых трещин в пласте или раскрытие уже имеющихся. Трещины являются каналами для движения газа. Движение газа по ним в большей степени отвечает законам движения газа по трубам, чем законам фильтрации в поровой среде. Более того, свободный метан в трещинах оказывает определенное давление на среду и может влиять на ее напряженное состояния и разрушение [26].
Ниже рассмотрены некоторые вопросы образования наведенных трещин-каналов для движения газа к скважине. В первой, вводной части рассматривается сплошная среда и определяются закономерности НДС пласта с областью усадки и условия образования растягивающих напряжений. Во второй части работы на основе установленных закономерностей НДС анализируются условия образования трещин, как элементов нарушения сплошности среды.
2. Задача о влиянии усадки угля на напряженно-деформированное
состояние пласта
Рассматриваем горизонтальный угольный пласт С мощности к. В кровле пласта находится породный пласт А, в почве пласта - пласт В (рис. 1, а). В пласте на всю его глубину пробурена вертикальная скважина радиуса а. В условиях осевой симметрии с радиальной г и угловой & координатами исходное вертикальное давление на пласт, обусловленное весом налегающих пород, обозначим <г0 = Q, исходные горизонтальные напряжения в пласте а0г =а<0 = Р. Считаем, что в задачах расчета НДС пласта известен радиус области усадки угля р ,который определяется из решения задач другой тематики, связанных с десорбцией и массопереносом.
Следуя [13, 27], полагаем, что вблизи скважины формируются следующие зоны (рис. 1., Ь, с): 1 - зона нетронутого угля (непроницаема):
2 - зона с наведенными изолированными микротрещинами (зона непроницаема, поскольку микротрещины в ней не соединяются);
3 - проницаемая зона; 4 - зона пластического деформирования (имеет высокую проницаемость); 5 - зона сильно разрушенного угля. Зоны 1 - 3 деформируются упруго. Зоны 4, 5 деформируются пластически и описываются соотношениями Генки и условием Мизеса [28]. Обозначим Е -модуль упругости угля, у - коэффициент Пуассона, - предел текучести
угля.
Рис. 1. Схемы к задаче о влиянии усадки на напряженное состояния угольного пласта: а - угольный пласт; А, В - налегающий и подстилающие пласты; Ь, с - характерные области наведенной нарушенности пласта вблизи скважины (пояснения в тексте)
При отсутствии усадки угля радиус границы упругой области и области пластичности (необратимых изменений) Я0 находится из соотноше-
ния Я = ехр
V у
Далее полагаем, что усадка задается главными дефор-
мациями равной величины е° =£0 = £з =£о и происходит в некоторой части
пластической области а < г <р, (р<Я0). На рис. 1, с эта область выделена голубым цветом (область 6). При усадке угольного вещества изменяется радиус пластической зоны, новый радиус обозначим Я .
Используя результаты наших исследований [27], приведем формулы для распределения полных напряжений вблизи скважины. Напряжения сжатия считаем положительными величинами.
Для зоны 6, а <г <р\
г
аг = 1П — а
_ Я
6т, р2
2Л
(1+у)а2
(1 - 2уУР2 +(2 -у)а2
1 -
а
2
/
=
1 + 1П
а /
Ево я2 - Я2
6т
р
(1
(1 - 2уУр2 +(2 -у)а2
1 +
а
2
V г у
(1)
Для области 3 с новой границей области пластичности Я, определяемой из решения задачи, ( < г < Я, имеем:
г
а г = 2.т, 1п—
а
'Ееп Я2 - Я2 Л
6т
Р
(1 +
(1 - 2у\р2 +(2 -у)а2
1 -
а2 ^
Р2 У
^ =
1 + 1П- I-
а )
Е£о _ Я2 - Яо2 . 6г, Р2
(1+у)б2
(1 - 2у)ур2 +(2 -у)а2
2 а2
1 + —г
22
У
(2)
Для упругой области 1, Я < г <<х>, можно получить:
^ = Р-т
4 г2
а3= Р + т
4 г2
Радиус Я определяется из соотношения
1ПЯ =
Яо
Ее^ _ Я2 - Яо2 +
6т
Р
(1 - 2уУр2 +(2 -у)а2
(3)
(4)
На рис. 2 в безразмерном виде показаны зависимости окружных ад / Р (сплошные линии) и радиальных аг / Р (пунктирные) напряжений от
г / а для частного случая Р = 2г4 и р = Я0. Последнее равенство означает, что усадка изначально задана во всей области пластического деформирования. Кривые распределения напряжений, помеченные цифрами 1 - 5, соответствуют Ее0/т, = 0;1;5;10;15 (буква а - для окружных, с - для радиальных). Значения безразмерной координаты г / а, заключенные в скобки, указывают новую границу области пластического деформирования.
По расположению кривых можно судить, что окружные и радиальные напряжения могут быть отрицательными, в нашем случае растягивающими. Следовательно, в области усадки при определенных условиях, действительно могут, формироваться значительные растягивающие напряжения, способные порождать трещины отрыва (разрыва пласта) как в радиальном, так и в окружном направлениях. На границе пластической области и области усадки может иметь место скачок окружных напряжений.
2
г
Из решения задачи следует, что развитие усадки приводит к расширению области пластичности. Нетрудно заключить, если в новой области пластичности будет происходить соответствующая усадка, то может возникнуть процесс последовательного расширения областей пластичности и усадки пласта.
Рис. 2. Распределение окружных (сплошные линии) и радиальных (пунктирные линии) напряжений вблизи скважины с учетом
деформаций усадки So в пластической зоне
Однако на основе полученного решения можно показать, что этот процесс должен быть затухающим. Например, для случая усадки пласта во всей области пластичности, т.е. при р = R, где R - увеличивающийся радиус области пластичности, можно получить из (4) выражение для относительного прироста радиуса области пластичности и усадки AR/R) c ростом R, т.е. (AR / R) = [Es0 (1 + v)]/(12vt5R) .Отсюда следует, что с ростом R относительное приращение убывает и процесс последовательного приращения области усадки и пластичности должен прекратиться.
3. Моделирование трещин отрыва, образующихся под влиянием
усадки пласта
Для упрощения расчетов рассматривается упругая среда с заданной областью усадки материала. В приближенном анализе трещинообразова-ния можно не учитывать пластичность материала, поскольку на развитие трещин затрачивается энергия упругого состояния материала, при этом угольный скелет разгружается от напряжений сжатия по закону упругости.
Конкретно, в рамках упругой модели определяем наибольшие напряжения растяжения вблизи трещин различных конфигураций. По наличию концентрации растягивающих напряжений вблизи концов тре-
щин и ее величине, согласно теории [29, 30], можно судить о возможности развития трещин.
В расчетах задаются природные горизонтальные напряжения сжатия Р, величина деформаций усадки е0, радиусы скважины а и области усадки р,Е - модуль упругости угля, у- коэффициент Пуассона. Поскольку давление метана в скважине и тех трещинах, которые выходят в скважину существенно меньше природного давления газа в пласте, в расчетах давление газа в скважине принимается равным нулю.
При определении граничных условий исходим из теории влияния включений на напряженно-деформированное состояние среды. Используем результаты работ для включений круглой формы [31,32]. Так, нормальные радиальные напряжения для упругой области пласта на границе области усадки (г = р)задаются соотношением
Ееп
а для области усадки на этой границе радиальные напряжения соотношением
* w=иЬи ^P • (6)
Эти соотношения соответствуют условиям непрерывности смещений на границе области усадки, непрерывности дополнительных напряжений, вызванных усадкой и скачку полных напряжений на этой границе.
Численные расчеты выполнены методом конечных элементов для различных схем расположения трещин при следующих значениях параметров P = 25 МПа; s0 = 0.01; E = 5 • 103МПа; у = 0.3 м и разном соотношении радиусов скважины и области усадки. На рис. 3 в качестве примера показаны изолинии главных напряжений растяжения в горизонтальной плоскости пласта для случая, когда радиус области усадки равен двум радиусам скважины р/а = 2. Рис. 3.а соответствует четырем радиальным трещинам длины l = 0.78а, рис.ЗЬ - шести протяженным радиальным трещинам длины l1 = 0.77а и шести коротким трещинам длины l2 = 0.22а, рис. Зс - шести протяженным радиальным трещинам длины l1 = 0.77а и шести окружным трещинам длины l2 = 0.66а, расположенных от края скважины на расстоянии 0.37а. Цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 отмечены изолинии со значениями отношения ирас / P: 0.4; 1; 2; 3; 4; 6; 8; 10; 12 соответственно. Буквой К
отмечены области высокой концентрации напряжений.
На рис. 4 показаны изолинии главных напряжений растяжения в горизонтальной плоскости пласта при том же соотношении радиусов скважины и области усадки в случае образования окружных изолированных трещин длины l4 = 0.5а, расположенных на расстоянии 0.33а от края скважины.
Рис. 4, а относится к случаю, когда давление газа в трещинах равно нулю, рис 4, Ь - к случаю, когда давление газа в трещинах составляет Q=20 МПа, т.е. 0.8 от величины природного горного давления. Нумерация изолиний на рис. 4, а и 4, Ь отвечает соотношениям рис. 3.
Рис. 3. Изолинии главных напряжений растяжения в области усадки
для различных конфигураций радиальных и окружных трещин при р/а = 2: а - четыре радиальные трещины; Ь - шесть больших и малых радиальных трещин; с - шесть радиальных и окружных трещин,
(пояснения в тексте)
Рис. 4. Изолинии максимальных растягивающих напряжений при наличии в зоне усадки изолированных окружных трещин: а - давление газа в трещинах отсутствует, Ь - давление газа равно 0,8 от величины горного давления, с - детали изолиний у концов окружных трещин
с газом (пояснения в тексте)
Буквой к отмечены области относительно низкой концентрации напряжений (в сравнении с радиальными трещинами) у концов окружных трещин, заполненных газом под давлением Q. Детали концентрации изолиний в этих областях показаны на рис.4, с, на котором цифры 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 указывают на изолинии с отношениями арас/Р: 0,2, 0,4, 0,6, 0,8,
1,0, 1,2, 1,4, 1,6, 1,8 соответственно.
На рис. 5 показаны изолинии главных напряжений растяжения в горизонтальной плоскости пласта при увеличившейся зоне усадки угля - со-
отношение радиусов области усадки и скважины равно р/ а = 17. Длина радиальных магистральных трещин усадки 15 = 15а. На рис. 5, Ь длина
окружных трещин усадки, пересекающих радиальные трещины на расстоянии 7а от края скважины, равна 6а. На рис. 5, с длина изолированных окружных трещин усадки, расположенных на расстоянии в среднем 5а от края скважины, равна 4а. Давление газа в изолированных трещинах, как и в случае рис. 4, Ь, равно 0,8 от величины горного давления. Нумерация изолиний отвечает соотношениям рис. 3.
Рис. 5. Изолинии максимальных растягивающих напряжений при увеличившейся зоне усадки в угольном пласте (пояснения в тексте)
На рис.6 приведены некоторые результаты расчетов состояния возможных трещин, возникших вне зоны усадки угля вблизи скважины. Показаны изолинии напряжений для случая, когда трещины располагаются вне области усадки. Здесь соотношение радиусов области усадки и скважины составляетр!а = 6 . На рис.6,а окружная трещина расположена на расстоянии 2, а от границы области усадки, на рис. 6, Ь - на расстоянии 0,5 а. Цифры у изолиний 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 соответствуют значениями отношения (урас/Р: -0,12; 0; 0,12; 0,24; 0,32; 0,4; 0,48; 0,56; 0,64; 0,76; 1,0
соответственно. Темным цветом показаны области, где главные напряжения являются растягивающими, серым цветом - сжимающими.
Как следует из расчетов, напряжения в концах трещины являются положительными (сжимающими), следовательно, трещины при рассмотренных условиях вне области усадки развиваться не могут, за исключением, пожалуй, границы области усадки. Концентрация растягивающих напряжений вне зоны усадки может формироваться только у окружных трещин, расположенных фактически на границе области усадки при величине усадки £0 > 0.02. Радиальные трещины вне области усадки определенно расти не могут.
Рис. 6. Распределение главных напряжений, определяющих развитие окружных трещин, вне области усадки: а - трещина на расстоянии 2а от границы области усадки: Ь - на расстоянии 0,5а (пояснения в тексте)
В результате моделирования можно составить представление о закономерностях развития трещин усадки.
Количество протяженных радиальных трещин не может превышать несколько единиц, наиболее оптимальные условия формируются для образования шести трещин. Протяженные радиальные трещины подавляют развитие малых радиальных трещин. На рис. 3, Ь видно, что концентрация напряжений у концов малых радиальных трещин фактически отсутствует. Между протяженными трещинами материал разгружен в отношении сжимающих и растягивающих напряжений.
Из расчетов можно заключить о нереальности развития окружных трещин, как выходящих на радиальные трещины (рис. 3, с), так и изолированных, если в них давление свободного метана отсутствует (рис. 4, а). Изолированные окружные трещины, в принципе, могут развиваться за счет давления газа (рис. 4, Ь, с), если это давление является достаточно большим по причине слабой фильтрации газа из этих трещин.
В целом подобные условия трещинообразования создаются и при значительном увеличении радиуса области усадки - возможен рост магистральных радиальных трещин, а развитие окружных трещин возможно только за счет внутреннего действия давления метана в этих трещинах (рис. 5, Ь). На рис. 5, а показаны зоны К высокой концентрации растягивающих напряжений у концов радиальных трещин и зоны сравнительно низкой концентрации к у изолированных трещин, заполненных газом. Нумерация изолиний отвечает соотношениям рис. 3.
На рис. 5, с показана возможная ситуация в развитии трещин, когда окружные трещины с газом, прорастая навстречу одна к другой, в совокупности формируют открытую концентрическую трещину. Это трещина может служить каналом для движения метана к магистральным радиальным трещинам усадки. Из расчетов следует, что образование такой концентрической трещины слабо изменяет НДС вблизи скважины, но создает
условия для развития новых изолированных окружных трещин на некотором удалении от скважины.
4. Обсуждение результатов исследований Выше методами механики деформируемого твердого тела проведено моделирование НДС и условий трещинообразования при ряде упрощений. Например, рассмотрено состояние пласта без учета природных нарушений, не учтен процесс постепенного роста величины усадки и т. п. Несмотря на упрощения, которые неизбежны из-за отсутствия значений ряда определяющих параметров, выводы моделирования имеют значение. Проведено сравнение результатов при представительных интервалах изменения входящих параметров, что создает основу для понимания, в целом, картины трещинообразования при усадке.
Показано, что усадка угольного пласта может приводить к формированию вблизи скважины растягивающих напряжений, которые в свою очередь, при определенных соотношениях параметров усадки и горного давления, могут привести к разрыву пласта и образованию трещин. Из полученных соотношений следует, что в случае, когда радиус зоны усадки р существенно превышает радиус скважины а, приближенное соотношение для величины усадки угля е0, при которой возможно развитие трещин, имеет вид
в> > 2(! - 24 - К + в), (
Е
где <г®0 - прочность угля на растяжение.
Развитие трещин определяется образованием зоны концентрации растягивающих напряжений вблизи их концов. По величине концентрации напряжений растяжения можно судить о возможности развития трещин. В частности, из сравнения величин концентрации можно заключить, что более протяженные трещины, разгружая прилегающую к ним область материала, должны подавлять рост соседних, менее протяженных трещин, ориентированных приблизительно в том же направлении.
В области усадки угля могут расти как окружные, так и радиальные трещины. Радиальные трещины должны зарождаться у скважины и расти в глубь пласта. Их рост определяется особенностями НДС и усадкой. В то же время окружные трещины должны зарождаться на удалении от скважины и от радиальных трещин, при этом их возможный рост должен определяться, главным образом, влиянием давлением метана, заполняющего трещину при его десорбции из угольной матрицы. Концентрация напряжений в концах окружных трещин в этом случае значительно меньше, чем у протяженных радиальных. Можно сделать вывод, что развитие окружных трещин возможно в угольных пластах с аномально низкой трещиностойко-стью, которая может проявляться у метанонасыщенных углей [33], или в угольных пластах с аномально высоким пластовым давлением метана.
Фактор подавления роста одних трещин другими может приводить к образованию особых трещинных структур. В результате взаимодействия окружных и радиальных трещин в области усадки угля может образоваться сетка пересекающихся трещин (рис. 5, с). Логично заключить, что образование сетки трещин в области усадки пласта создает наиболее благоприятные условия для выхода из него метана. Действительно, в этом случае должна происходить интенсивная десорбция и наведенная фильтрация метана в угольном скелете, беспрепятственное движение свободного метана по трещинам, уменьшение объема угольного скелета и полная его разгрузка от напряжений в зоне влияния открытых трещин.
Если обобщить результаты наших и других исследований, например [34 - 39], то можно заключить, что, в принципе, возможен самоподдерживающийся процесс синергетического взаимодействия факторов разной физической природы - роста области пластичности и дезинтеграция угля вблизи скважины, десорбции метана и фильтрации, расширения области усадки угольной матрицы, образования магистральных каналов для движения свободного метана к добычной скважине и, как следствие, перехода локальных геомеханических трансформаций пласта на более крупный масштабный уровень.
При образовании концентрических окружных трещин развитие самоподдерживающегося процесса метаноотдачи пласта, как это следует из рис. 5, с, можно интерпретировать как гипотетическое увеличение радиуса добычной скважины по мере истечения метана из пласта, поскольку сжавшуюся, внутреннюю зону полной разгрузки пласта можно не учитывать. Именно реализацией на практике такого самоподдерживающегося процесса возможно объяснить в ряде случаев аномально высокое повышение ме-таноотдачи пласта со временем, как в случае добычи метана из угольных пластов формации Фрутленд (Сан-Хуан).
Главные выводы
Из модельных исследований следует, что усадка угля при десорбции метана может приводить к образованию в угольном пласте протяженных магистральных трещин для выхода свободного метана и к расширению областей наведенной проницаемости пласта.
Эффект аномального роста со временем проницаемости пласта можно объяснить реализацией самоподдерживающегося режима геомеханических изменений, включающих деформацию, пластичность, десорбцию, фильтрацию и трещинообразование в области усадки пласта.
Список литературы
1. Развитие ресурсосберегающих и ресурсовоспроизводящих геотехнологий комплексного освоения месторождений полезных ископаемых / К.Н. Трубецкой [и др.]. М., 2012.
2. Развитие геомеханики для решения проблем сохранения земных недр / М.А. Иофис, Е.В. Федоров, Е.Н. Есина, Н.А. Милетенко // Горный журнал. 2017. № 11. С. 18-21.
3. Мелехин Е.С., Кузина Е.С. Экономико-правовой механизм организации процесса заблаговременной дегазации высоко газоносных угольных пластов // Маркшейдерия и недропользование. 2019. № 1(99). С. 17-19.
4. Мелехин Е.С., Кузина Е.С. Создание безопасных условий труда при добыче угля из высоко-газоносных угольных пластов через механизмы госзаказа на их заблаговременную дегазацию // Маркшейдерия и недропользование. 2016. № 3(83). С. 3-5.
5. Пучков Л.А., Сластунов С.В. Проблемы угольного метана - мировой и отечественный опыт их решения // ГИАБ. 2007. №4. С. 5-24.
6. Мелехин Е.С., Малахова Е.Г. Заблаговременная дегазация высоко газоносных пластов как фактор перспективного развития угольной промышленности // Маркшейдерия и недропользование. 2014. № 1(69). С. 3334.
7. Moore R.L., Loftin D., Palmer I. History matching and permeability increases of mature coalbed methane wells in San Juan Basin // Geology. 2011. -ID 128417000. DOI: 10.2118/146931-MS
8. Ayers Jr. W. B. Coalbed methane in the Fruitland Formation, San Juan Basin, western United States: A giant unconventional gas play, (in M. T. Halbouty, ed., Giant oil and gas fields of the decade 1990-1999) // AAPG Memoir 78. 2003. Р. 159-188.
9. Эттингер И.Л. Физическая химия газоносного угольного пласта. М.: Наука, 1981.
10. Ceglarska-Stefanska, G., Czaplinski, A. Correlation between sorption and dilatometric processes in hard coals // Fuel. 1993. V.72. Pp. 413-417.
11. Pan Z.J., Connell L.D., A theoretical model for gas adsorption- induced coal swelling // International Journal of Coal Geology. 2007. 69(4):243-252.
12. Малышев Ю. Н., Трубецкой К. Н., Айруни А. Т. Фундаментально прикладные методы решения проблемы метана угольных пластов. М.: Изд-во Акад. горн. наук, 2000. 517 с.
13. Христианович С.А., Коваленко Ю.Ф. Об измерении давления газа в угольном пласте // ФТПРПИ. 1988. №3.
14. Кузнецов С.В., Трофимов В.А. Природа и механизм формирования газопроницаемых зон в угольных пластах // ФТПРПИ. 1999. №1.
15. Palmer, I., Mansoori, J. How permeability depends on stress and pore pressure in coalbeds: A new model // Evaluation. 1998. P. 539-544.
16. Analysis of Analytical Models Developed under the Uniaxial Strain Condition for Predicting Coal Permeability during Primary Depletion / Ch. Li, Zh.Wang, L. Shi, R. Feng // Energies. 2017. V. 10. Р. 184 -189. DOI:10.3390/en10111849.
17. Зависимость проницаемости угольного пласта от газосодержания и действующих напряжений / В.Н. Захаров, О.Н. Малинникова, В.А. Трофимов, Ю.А. Филиппов // ФТПРПИ. 2016. №2. С. 16-25.
18. Desorption-induced shear failure of coal bed seams during gas depletion / D.N. Espinoza [and others] // Preprint submitted to the International Journal of Coal Geology. 2014. 29, October.
19. Одинцев В.Н. Оценка микротрещинообразования в угле при десорбции метана // Записки Горного института. 2001. Т. 148-1. С. 146-150.
20. Мустафин М.Г. Моделирование геомеханического состояния массива горных пород при добыче метана из угольных пластов // Записки Горного института. 2015. Т.216. С. 57-60.
21. Xiaojun Li, Haifang Wen, Balasingam Muhunthan. Modeling the Drying Shrinkage Cracking of Untreated Soils and Cementitiously Stabilized Soils // Journal of the Transportation Research Board, No. 2511. 2015. P. 90101. DOI: 10.3141/2511-11
22. Xin Wei, Chongyang Gao, Ke Liu. A Review of Cracking Behavior and Mechanism in Clayey Soils // Hindawi. Advances in Civil Engineering. Volume 2020, Article ID 8880873. https://doi.org/10.1155/2020/8880873.
23. Amarasiri A.L., Kodikara J.K. Numerical modeling of desiccation cracking using the cohesive crack method // Intern. Journal of Geomechanics. 2013. Vol. 13. N3. P. 213-221.
24. Numerical modelling of desiccation cracking of clayey soil using a cohesive fracture method / Vo T. Dong, A.Pouya, S. Hemmati, A. Minh Tang // Computers and Geotechnics. 2017. Vol 85. P. 15-27. DOI: 10.1016/j.compgeo.2016.12.010.
25. Kodikara J., Chakrabarti S. Modelling drying shrinkage of cement-stabilised crushed rock // Construction Materials 159(2):67-75. DOI: 10.1680/coma.2006.159.2.67.
26. Никитин Л.В., Одинцев В.Н. Механика отрывного разрушения сжатых газоносных горных пород // Известия АН СССР. Механика твердого тела. 1988. № 6. С. 135-144.
27. Одинцев В.Н. Теоретическая оценка влияния скважины на проницаемость газонасыщенного пласта // ФТПРПИ. 2001. №6. С.25-30.
28. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969.
29. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. 640 с.
30. Nikitin L.V., Odintsev V.N. А dilatancy model of tensile macrocracks in compressed rock // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 1999. Т. 22. № 11. P. 1003-1009.
31. Новацкий В. Теория упругости. М.: Мир, 1975. 872 с.
32. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Наука, 1966. 708 с.
33. Бобин В.А., Зимаков Б.М., Одинцев В.Н. Оценка энергии межмолекулярного отталкивания молекул сорбата в микропорах угля // ФТПРПИ. 1989. № 5. С. 48-56.
34. Физические основы скважинной добычи метана из неразгруженных угольных пластов / В.А. Бобин [и др.] // ГИАБ, 2000. № 1. С. 142144.
35. Диффузионно-фильтрационная модель выхода метана из угольного пласта / А.Д. Алексеев [и др.] // Журнал технической физики. 2007. Т. 77. № 4. С. 65-74.
36. Полевщиков Г.Я., Плаксин М.С. Газодинамические следствия зональной дезинтеграции массива при проведении подготовительной выработки // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2011. № 5(87). С. 3-7.
37. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С. Физический механизм и параметры сорбции метана в угольных пластах // ГИАБ. 2009. № S11. С. 414-420.
38. Малинникова О.Н., Одинцев В.Н., Трофимов В.А. Оценка условий метаноотдачи угля на микроструктурном уровне // ГИАБ. 2009. № S11. С. 189-204.
39. Ayers Jr. W. B. Coalbed methane in the Fruitland Formation, San Juan Basin, western United States: A giant unconventional gas play, (in M. T. Halbouty, ed., Giant oil and gas fields of the decade 1990-1999). AAPG Memoir 78. 2003. P. 159-188.
Одинцев Владимир Николаевич, д-р техн. наук, вед. науч. сотр., [email protected], Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова РАН,
Милетенко Наталья Александровна, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., [email protected], Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова РАН,
Федоров Евгений Вячеславович, канд. техн. наук, вед. науч. сотр., [email protected], Россия, Москва, Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н.В. Мельникова Российской академии наук
MODELING OF GEOMECHANICAL CONDITIONS OF BOREHOLE METHANE EXTRACTION FROM A COAL SEAM
V.N. Odintsovo, N.A. Miletenko, E.V. Fedorov
The efficiency of methane extraction from methane-coal deposits is largely due to natural (geological and geomechanical) factors that affect the conditions of methane desorption and release from the coal seam. The paper models the geomechanical conditions of abnormally high methane recovery of the formation due to the high technogenic permeability of the coal seam near the well. The novelty of the research consists in taking into account the shrinkage of the coal substance during the desorption of bound methane. It is shown that coal shrinkage can lead to the formation of open mainline cracks, which change the stress-strain state of the formation and may be the cause of its high methane recovery.
Key words: methane-coal deposits, desorption, man-made permeability, mainline cracks, stress-strain state.
Odintsev Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, head. sci. employee, [email protected] , Russia, Moscow, Institute of Problems of Integrated Subsoil Development named after Academician N.V. Melnikov of the Russian Academy of Sciences,
Natalia Alexandrovna Miletenko, candidate of technical sciences, art. employee, nmilet@,mail.ru , Russia, Moscow, Institute of Problems of Integrated Subsoil Development named after Academician N.V. Melnikov of the Russian Academy of Sciences,
Fedorov Evgeny Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, head.. sci. employee, [email protected], Russia, Moscow, Institute of Problems of Integrated Subsoil Development named after Academician N.V. Melnikov of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Development of resource-saving and resource-reproducing geotechnologies for the integrated development of mineral deposits / K.N. Trubetskoy [et al.] // Moscow, 2012.
2. Development of geomechanics for solving problems of conservation of the Earth's interior / M.A. Iofis, E.V. Fedorov, E.N. Esina, N.A. Miletenko // Mining Journal. 2017. No. 11. pp. 18-21.
3. Melekhin E.S., Kuzina E.S. The economic and legal mechanism for organizing the process of early degassing of highly gaseous coal seams // Surveying and subsoil use. 2019. No. 1(99). pp. 17-19.
4. Melekhin E.S., Kuzina E.S. Creation of safe working conditions for coal extraction from high-gas-bearing coal seams through state order mechanisms for their early degassing // Surveying and subsoil use. 2016. No. 3(83). pp. 3-5.
5. Puchkov L.A., Slastunov S.V. Problems of coal methane - world and domestic experience of their solution // GIAB. 2007. No. 4. pp. 5-24.
6. Melekhin E.S., Malakhova E.G. Early degassing of high gas-bearing formations as a factor perspective development of the coal industry // Surveying and subsoil use. 2014. No. 1(69). pp. 33-34.
7. Moore R.L., Loftin D., Palmer I. Comparing the history and increasing the permeability of mature methane wells of coal seams in the San Juan basin // Geology. 2011. - Identification number 128417000. DOI: 10.2118/146931-MS
8. Ayers Jr. W. B. Coalbed methane in the Fruitland Formation, San Juan Basin, Western United States: Giant Unconventional Gas Production (in the book by M. T. Halbuti, ed., Giant Oil and Gas Fields of the Decade 1990-1999). Memoirs of AAPG 78. 2003. pp. 159-188.
9. Ettinger I.L. Physical chemistry of a gas-bearing coal seam. M.: Nauka, 1981.
10. Ceglarska-Stefanska G., Chaplinski A. Correlation between sorption and dilato-metric processes in coal // Fuel. 1993. Vol.72. pp. 413-417.
11. Pan Z.J., Connell L.D. Theoretical model of coal swelling caused by gas adsorption // International Journal of Coal Geology. 2007. 69(4):243-252.
12. Malyshev Yu. N., Trubetskoy K. N., Ayruni A. T. Fundamentally applied methods for solving the problem of methane in coal deposits. M.: Publishing House of the Academy of Sciences. gorn. nauk, 2000. 517 p.
13. Khristianovich S.A., Kovalenko Yu.F. On measuring gas pressure in a coal seam // FTPRPI. 1988. No.3.
14. Kuznetsov S.V., Trofimov V.A. The nature and mechanism of formation of gas permeable zones in coal seams // FTPRPI. 1999. No.1.
15. Palmer I., Mansouri J. How permeability depends on stress and pore pressure in coal seams: a new model // Assessment. 1998. pp. 539-544.
16. Analysis of analytical models developed under uniaxial deformation conditions to predict the permeability of coal during primary depletion / Ch. Li, J.Wang, L. Shi, R. Feng // Energy. 2017. vol. 10, 1849. DOI: 10.3390/en10111849.
17. Dependence of the permeability of a coal seam on gas compression and operating stresses / V.N. Zakharov, O.N. Malinnikova, V.A. Trofimov, Yu.A. Filippov // FTPRPI.
2016. No. 2. pp. 16-25.
18. Destruction of coal seams caused by desorption during gas depletion / D.N. Espinosa [et al.] // Preprint submitted to the International Journal of Coal Geology. 2014. October 29th.
19. Odintsovo V.N. Assessment of microcracking in coal during methane desorption // Notes of the Mining Institute. 2001. Vol. 148-1. pp. 146-150.
20. Mustafin M.G. Modeling of the geomechanical state of a rock mass during methane extraction from coal seams // Notes of the Mining Institute. 2015. Vol.216. pp. 57-60.
21. Xiaojun Li, Haifang Wen, Balasingam Muhunthan. Modeling of cracking during drying of untreated soils and soils stabilized with cement // Journal of the Council for Transport Research, No. 2511. 2015. pp. 90-101. DOI: 10.3141/2511-11
22. Xin Wei, Chongyang Gao, Ke Liu. A review of the behavior and mechanism of crack formation in clay soils // Hindawi. Achievements in the field of civil engineering. Volume 2020, article number 8880873.
https://doi.org/10.1155/2020/8880873 23. Amarasiri A.L., Kodikara J.K. Numerical simulation of fracture during cracking using the cohesive crack method // International. Journal of Geomechanics. 2013. Volume 13. N3. pp. 213-221.
24. Numerical simulation of clay soil cracking during drying using the cohesive fracture method / Wo T. Dong, A.Puya, S. Hemmati, A. Min Tan // Computers and Geotechnics.
2017. Volume 85. Pp. 15-27. DOI: 10.1016/j.compgeo.2016.12.010.
25. Kodikara J., Chakrabarti S. Modeling shrinkage during drying of crushed stone stabilized with cement // Building Materials 159 (2): 67-75. DOI: 10.1680/coma.2006.159.2.67.
26. Nikitin L.V., Odintsovo V.N. Mechanics of separation destruction of compressed gas-bearing rocks // Izvestiya AN SSSR. Solid state mechanics. 1988. No. 6. pp. 135-144.
27. Odintsovo V.N. Theoretical assessment of the influence of a well on the permeability of a gas-saturated reservoir // FTPRPI. 2001. No.6. pp.25-30.
28. Kachanov L.M. Fundamentals of the theory of plasticity. M.: Nauka, 1969.
29. Cherepanov G.P. Mechanics of brittle fracture. M.: Nauka, 1974. 640 p.
30. Nikitin L.V., Odintsovo V.N. Dilatancy model of tensile macrofractures in compressed rock // Fatigue and destruction of engineering materials and structures. 1999. Vol. 22. No. 11. pp. 1003-1009.
31. Novatsky V. Theory of elasticity. M.: Mir, 1975, 872 p.
32. Muskhelishvili N.I. Some basic problems of the mathematical theory of elasticity. M.: Nauka, 1966. 708s.
33. Bobin V.A., Zimakov B.M., Odintsovo V.N. Evaluation of the energy of intermolecular repulsion of sorbate molecules in micropores of coal // FTPRPI. 1989. No. 5. pp. 48-56.
34. Physical foundations of borehole extraction of methane from unburdened coal seams / V.A. Bobin [et al.] // GIAB, 2000. No. 1. pp. 142-144.
35. Diffusion-filtration model of methane output from a coal seam / A.D. Alekseev [et al.] // Journal of Technical Physics. 2007. Vol. 77. No. 4. pp. 65-74.
36. Polevshchikov G.Ya., Plaksin M.S. Gas-dynamic consequences of zonal disintegration of an array during preparatory mining // Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2011. No. 5 (87). pp. 3-7.
37. Slastunov S.V., Karkashadze G.G., K. Kolikov.S. The physical mechanism and parameters of methane sorption in coal seams // GIAB. 2009. No. C11. pp. 414-420.
38. Malinnikova O.N., Odinchev V.N., Trokhimov V.A. Oenka as a methane-releasing angle at the microstructural level // GIAB. 2009. No. S11. pp. 189-204.
39. Ayers Jr. W. B. Coalbed methane in the Fruitland Formation, San Juan Basin, Western United States: Giant Unconventional Gas Production (in the book by M. T. Halbuti, ed., Giant Oil and Gas Fields of the Decade 1990-1999). Memoirs of AAPG 78. 2003. pp. 159-188.
