CC BY
23
© П.И. Афанасьев, Е.П. Ютяев, A.C. Серегин, А.Х. Ерзин, 2013
П.И. Афанасьев, Е.П. Ютяев, А.С. Серегин, А.Х. Ерзин
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛИЧЕСКОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В РЕЖИМЕ ГИДРО УДАРА ПРИ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЙ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Рассмотрен способ увеличения проницаемости призабойной зоны на основе гидроударного воздействия, создаваемого на устье скважины.
Ключевые слова: заблаговременная дегазация, гидроудар, проницаемость, разрушение пород.
За последние 10 лет в угольной промышленности России 24 % аварий связанны со взрывами и вспышками метана в которых погибло 394 человека [1]. Постоянное увеличение глубины ведения горных работ на угольных шахтах России приводит к росту газоносности разрабатываемых пластов и пластов спутников. При современном уровне добычи угля, возможности средств вентиляции и применяемых средств дегазации в основном исчерпаны и не позволяют обеспечить необходимый уровень безопасности ведения горных работ. Для обеспечения безопасной угледобычи высокопроизводительными очистными забоями необходима заблаговременная дегазация угольных пластов.
В настоящее время заблаговременная дегазация угольных пластов в России не нашла широкого применения из-за низкой проницаемости неразгруженного массива. Основной технологией увеличения газовой проницаемости угля является гидродинамическое воздействие в режиме гидрорасчленения. Эффективность гидрорасчленения зависит от качества вскрытия угольного пласта и проницаемости прискважинной зоны пласта [6]. Современные способы повышения проницаемости уголь-
ных пластов при заблаговременной дегазации отличаются длительными сроками проведения работ, значительными материально-трудовыми и энергетическими затратами.
Одним из способов повышения проницаемости присква-жинной зоны являются пороховые генераторы давления [2]. Опыт их применения показал, что увеличение проницаемости прискважинной зоны приводит к увеличению съёма газа из угольного пласта. Создаются благоприятные условия для последующего применения базовых способов воздействия на пласт, увеличения расстояние между скважинами и снижения сроков ввода скважин в эксплуатацию.
Другой подход увеличения проницаемости прискважинной зоны пласта заключается в применении гидродинамического воздействия через скважины с поверхности. Наиболее эффективными можно считать пневмогидродинамическое [3] и циклическое гидродинамическое воздействие [4]. Согласно [3] при бурении скважин в прискважинной зоне образуется сеть концентрических и радиальных трещин, образующих фильтрационную систему, достаточную для транспортирования газа из массива в скважину. Однако, применяемый для бурения, раствор заполняет фильтрационные каналы, создавая устойчивые кольматационные образования, что блокирует движение газа. Для решения данной проблемы авторы работы [3] считают рациональным применение импульсной гидродинамической обработки в режиме обратной фильтрации. Создание режима обратной фильтрации обеспечивается выпуском газа находящегося в скважине при раскачке скважинной жидкости. Однако наличие воздушной прослойки в скважине значительно уменьшает жесткость удара, соответственно ограничивает радиус влияния проводимого воздействия.
Одним из способов гидравлической обработки пласта является режим обратного гидроудара [5]. В этом случае гидроудары создаются за счет энергии упругой деформации, запасенной в обрабатываемом пласте на этапе обработки в режиме гидрорасчленения. Создание обратного гидроудара после гидрорасчленения не позволяет значительно увеличить проницаемость призабойной зоны пласта. Кроме того, количество гидроударов и их мощность ограничивается количеством энергии, запасенной в пласте.
Для сокращения времени, необходимого для эффективного освоения скважин при проведении заблаговременной дегазации и увеличения равномерности обработки угольного массива, можно применить циклическое импульсное гидродинамическое воздействие в режиме прямого гидроудара [11, 12]. По сравнению с другими способами, обработка скважин циклическим импульсным гидродинамическим воздействием в режиме прямого гидроудара может быть проведена без применения спускоподъемных работ, дорогостоящей техники, и специального оборудования, при этом используется только модифицированная устьевая обвязка и насосный агрегат.
Технология циклического импульсного гидродинамического воздействия в режиме прямого гидроудара лишена недостатков, описанных выше способов. Технология основана на эффекте гидроудара, создаваемого на устье скважины. Гидроудар вызывает переменные напряжения в призабойной зоне пласта. Переменные напряжения создают условия для усталостного роста сети трещин, покрывающих площадь вокруг скважины. Регулирование длины создаваемых трещин в этом случае происходит за счет изменения амплитуды перепадов давления, количества циклов приложения, вязкости рабочей жидкости. На рис.1 приведена схема циклического импульсного гидродинамического воздействия на угольный пласт при заблаговременной дегазации на основе прямого гидроудара.
Рис. 1. Схема импульсного гидродинамического воздействия на угольный пласт при заблаговременной дегазации на основе прямого гидроудара: 1 — Сливная емкость; 2, 2-0, 2-1, 2-2 — запорные задвижки; 3 — гидроаккумулятор; 4 — насосный агрегат; 5 — водозабор; 6 — обсаженная скважина; 7 — обрабатываемый пласт
Гидроударное воздействие на угольный пласт производится через скважины с обсадной колонной и цементированным затрубным пространством. При этом рекомендуемый способ вскрытия пласта — сплошной кольцевой вырез в колонне, цементе и угле. Заполнение скважины рабочей жидкостью производится до устья. Для создания гидроудара необходимо резкое изменение скорости движения потока рабочей жидкости. Для создания гидроудара необходимо резкое изменение скорости движения потока рабочей жидкости.
Далее приведено описание работы оборудования. Управление пневматическим устьевым оборудованием (2, 2-0, 2-1, 22) производится через электронный блок управления см. рис.1 (ЭБУ). ЭБУ синхронизирует работу устьевого оборудования, для которого предусматривается два режима работы. В режиме подачи задвижки 2-1 и 2-2 открыты, задвижки 2-0 и 2 закрыты. При накоплении энергии в гидроаккумуляторе 3 задвижки 2-1 и 2-2 закрыты, задвижки 2-0 и 2 открыты. Для отключения насосной станции 4 от гидравлической сети предусмотрена задвижка 2-0.
При накоплении достаточной энергии в гидроаккумуляторе производится перевод устьевого оборудования в режим «подача». Под давлением жидкость из гидроаккумулятора движется к устью, где происходит столкновение со скважин-ной жидкостью. Резкое изменение скорости движения жидкости приводит к гидроудару. На устье скважины формируются два фронта повышенного давления, один из которых движется к зумпфу (фронт Б), другой — к гидроаккумулятору (фронт А) см. рис. 2. За фронтами волн растет зона повышенного давления.
При достижении фронтом А гидроаккумулятора, жидкость под действием повышенного давления, созданного гидроударом, изливается в гидроаккумулятор. Процесс формирует волну разгрузки, фронт которой движется вслед за фронтом Б к зумпфу. В результате образуется зона повышенного давления, ограниченная с одной стороны фронтом Б, с другой стороны — фронтом волны разряжения.
Область повышенного давления, достигая зоны перфорации обсадной колонны, создает напряжения в угольном пласте.
Рис. 2. Схема гидроудара в заполненной скважине
Время действия повышенного давления жидкости на обрабатываемый пласт определяется величиной зоны повышенного давления. После отражения волны повышенного давления от зумпфа происходит наложение волн, с двукратным увеличением давления [10]. После отражения от зумпфа фронта ударной волны и «встречи» с фронтом волны разряжения обе волны продолжают движение к устью.
Основные расчетные параметры циклического гидродинамического воздействия в режиме прямого гидроудара на устье заполненной скважины глубиной 500 м приведены в табл. 1. Скорость распространения фронта сжатия и разряжения определялась из выражения:
1
с = -
рР+> 2
ЬЕ
где р — удельная плотность жидкости, в — сжимаемость жидкости, г — внутренний радиус обсадной колонны, 5 — толщина стенок колонны, Е — модуль упругости материала колонны.
Величина амплитуды давлений, возникающих при гидравлическом ударе, определяется согласно уравнению гидроудара Н.Е. Жуковского:
АР = р-с-Ад .
Напряжения в призабойной зоне обрабатываемого угольного пласта, создаваемые импульсами давления гидроударов, определяется с учетом коэффициента преломления и гидростатического давления столба жидкости:
а = к -(АР + Р )
пр \ ст /
где кпр — коэффициент преломления.
Время действия напряжений в пласте определяется отставанием фронта разряжения от фронта повышенного давления:
21 д
* _ т.д.
возд '
с
где 1тд — длина труб перед устьем скважины.
Регулирование амплитуды давлений возникающих при гидроударе осуществляется величиной давления в гидроаккумуляторе и скоростью открытия задвижки 2-1.
Таблица 1
Основные расчетные параметры циклического гидродинамического воздействия в режиме прямого гидроудара
Высота Внутр диаметр Ско- Макс. ско- Ширина Время Напряж
скв.,,м обсадной ко- рость рость активно- дейст. пе- ения в
лонны, мм волны, потока в го слоя, репада дав- угле,
м/с трубе, м/с м лений сек МПа
500 100 1344 7,63 20 0,0148 16,48
Циклическое импульсное гидродинамическое воздействие предполагает значительное число повторений циклов нагруже-ний массива. При циклическом нагружении угля в нем накапливаются и развиваются дефекты и трещины. Это подтверждается явлением гистерезиса при испытаниях угольных образцов на прочность. Увеличение количества дефектов и длин трещин приводит к снижению прочности угля и его усталостному разрушению. Для обеспечения усталостного роста трещин в относительно короткие сроки, возникающие напряжения должны быть выше предела упругости.
Для уменьшения влияния на проницаемость массива переизмельченной массы, образующегося при повторяющихся воздействиях на массив угля, возникающие напряжения должны быть ниже предела прочности породы, находящейся в сложно напряженно-деформируемом состоянии. Таким образом, увеличение размеров трещин обуславливается усталостным их ростом, под действием возникающих напряжений в процессе многократного воздействия жидкости на угольный пласт.
При превышении предела упругости в угле развиваются пластические деформации. Процесс протекает с накоплением локальных микроразрушений и увеличением поперечных деформаций. Как правило пластическая деформация прирастает в плоскости максимальной нагруженности, которая не всегда совпадает с плоскостью максимальных напряжений. В трещиноватом блочном массиве пластические деформации протекают по плоскостям раздела или с образованием новых плоскостей скольжения [13].
В работе приведен пример определения режимов нагру-жения при циклическом гидродинамическом воздействии в режиме гидроудара для условий пл. «Поленовский» ш. им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс». В лаборатории физико-механических свойств и разрушении горных пород Национального минерально-сырьевого университета «Горный» были определены физико-механические свойства пласта «Поленов-ский» методом разрушения образцов сферическими инденто-рами [7,8,9] и построен паспорт прочности (рис. 2).
■5 5 тн 15 25 35
Главные нормальные напряжения сгп, МПа
Рис. 2. Определение режима нагружения пл. «Поленовский» ш. им. С.М. Кирова на основе паспорта прочности угля: 1 — предельные напряжения; 2—3 — напряжения, вызываемые гидроударным воздействием, 4 — зона пластических деформаций
Для определения вида деформаций, возникающих в обрабатываемом пласте при циклическом гидроударном воздействии, на паспорт прочности был нанесен предел упругих деформаций. Переход упругих деформаций в упругопластиче-ские трудно определим. Но для исследованных нами образцов переход деформаций в пластическую область наблюдался при напряжениях на 25-30 % меньших предела прочности. На основании вышесказанного на паспорте прочности была выделена зона пластических деформаций. Кроме того, показаны напряжения, создаваемые перепадами давлений скважинной жидкости при гидроударном воздействии, максимальные напряжения, приводящие к хрупкому разрушению, и минимальные напряжения, вызывающие пластические деформации.
Согласно рис. 2, напряжения, создаваемые при циклическом гидродинамическом воздействии в режиме гидроудара, вызывают пластические деформации в обрабатываемом угольном пласте. При этом создаются условия для усталостного разрушения угля.
Таким образом, применяемые способы повышения газовой проницаемости при заблаговременной дегазации на угольных
бассейнах России не обеспечивают ожидаемых дебитов и равномерности обработки. Кроме того требуют значительных материально-трудовых и энергетических затрат.
Выводы
Применение циклического гидродинамического воздействия в режиме прямого гидроудара позволяет повысить газовую проницаемость прискважинной зоны пласта. Эффект достигается за счет многократных повторений циклов воздействия (более 1000), приводящих к снижению прочности и увеличению длины трещин усталостного разрушения. Рост проницаемости прискважинной зоны пласта способствует последующей эффективной гидродинамической обработке в режиме гидрорасчленения, позволяет увеличить расстояние между скважинами и снизить сроки ввода скважин в эксплуатацию.
При циклическом гидродинамическом воздействии в режиме прямого гидроудара для уменьшения влияния на проницаемость переизмельченной массы, напряжения, создаваемые в пласте должны не превышать предела прочности, при этом усталостное разрушение приводит к росту трещин протекает по напластованиям.
Определение параметров импульсного гидродинамического воздействия следует осуществлять с учетом паспорта прочности обрабатываемого угольного пласта, времени действия импульса и количества циклов воздействия.
Циклическое гидродинамическое воздействие по схеме прямого гидроудара позволяет увеличить проницаемость при-скважинной зоны пласта за счет роста трещин, вызванного усталостным разрушением.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горбунов А.Ю. Совершенствование контрольно-надзорной деятельности в горнодобывающих отраслях промышленности // Безопасность Труда в Промышленности. -2012 №12 с.16-18
2. Сластунов C.B., Шилов А.А., Грибанов Н.И. Дегазация угольных пластов пороховыми генераторами давления // Журнал «Горная Промышленность» №2 2004
3. Применение пневмогидродинамического воздействия на углепород-ный массив через поверхностные дегазационные скважины для добычи мета-
на угольных месторождений / П.Е. Филимонов, Б.В. Бокий, И.А. Ефремов, В.В. Чередников, К.К. Софийский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 87. — С. 34-40.
4. Научное открытие № 123. Закономерность разрушения пористых газонасыщенных тел при циклическом гидродинамическом воздействии / К. К. Софийский, Е. Г. Барадулин, Э. И. Мучник [и др.] // Научные открытия: Сборник кратких описаний. — 1999. — Выпуск 2. — М. — Санкт-Петербург. — 2000.- С. 36 — 38
5. Пат. № 2298650 Способ гидравлической обработки пласта, Пучков Ё.А., Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С.
6. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. М., «Недра», 1979. 271.с
7. ГОСТ 24941-81. «Породы горные. Методы определения механических свойств нагружением сферическими инденторами».
8. Способ определения предела прочности при одноосном растяжении горных пород. Авторы: Коршунов В.А., Карташов Ю.М., Козлов В.А. Заявка № 201020117/03(028601), дата подачи заявки 19.05.2010 г. Решение о выдаче патента на изобретение от 09.06.2011 г.
9. Коршунов В.А., Карташов Ю.М. Новый способ определения предела прочности при растяжении горных пород. «Записки Горного института». Т. 190, Санкт-Петербург, 2011, с. 202-205.
10. Жуковский Н.Е. Гидравлика. Полное обрание сочинений. Том VII. 1937. 146 с.
11. Коршунов Г.И., Серегин А.С., Шипулин А.В. Увеличение газовой проницаемости угля путем импульсно-волнового воздействия через скважины» // Газовая промышленность 672/2012, с.46-47, М. 2012
12. Коршунов Г.И., Пальцев А.И., Серегин А.С., Шипулин А.В. Создание блочно-трещиноватой структуры в угольном пласте при гидродинамическом воздействии с помощью импульсно-волнового воздействия // ГИАБ №4, С.109-113, М. 2012
13. Оловянный А.Г. Некоторые задачи механики массивов горных пород / ФГУП «Межотраслевой научный центр» ВНИМИ; ООО «Стресс» СПб, 2003, 234 с. ЕШ
Афанасьев П.И. — кандидат технических наук, заведующий лабораторией, Серегин А.С. — аспирант, Ерзин А.Х. — аспирант,
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», rectorat@spmi.ru, Ютяев Е.П. — кандидат технических наук, генеральный директор ОАО «СУ-ЭК-Кузбасс», office@suek.ru
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
