CC BY
54
СЕМИНАР 5
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© В.А. Бобин, 2001
'-ч --
УДК 622:331:817:34.81.931
В.А. Бобин
ОЦЕНКА КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ВЫБОРА ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ИНТЕНСИФИЦИРУЮЩИХ ИЗВЛЕЧЕНИЕ УГОЛЬНОГО МЕТАНА
В
ажным элементом технологии промысловой добычи метана являются методы воздействия на угольный массив, способствующие увеличению количества метана заблаговременно добываемого из угольного месторождения.
Наиболее перспективным путем обеспечения физической основы добычи метана из неразгруженных пластов являются исследования трансформации газоносного угольного вещества.
Идея работы состоит в использовании закономерностей разрушения (деструкции) микро- и макроструктуры газонасыщенной природной системы «уголь-газ» с целью выбора рациональных способов воздействия на угольный пласт и определения их параметров, позволяющих интенсифицировать газоотдачу угольных пластов.
Процесс трансформации структуры угольного вещества имеет фундамен-тальное значение для понимания процесса разрушения газонасыщенного угольного вещества при внешних воздействиях.
Весь ряд существующих и разрабатываемых методов интенсификации процессов газовыделе-ния из углей и угольных пластов можно разделить на три большие группы [1, 2] в зависимости от степени воздействия на структуру природной системы "уголь-метан", а именно: к первой группе относятся методы основанные на повышении его газопроницаемости и высвобождении адсорбированных газов, находящихся в макропо-
рах (гидро-расчленение, гидрорыхление, торпедирование и т.д.); вторую группу составляют так называемые физикохимические методы, основанные на вытеснении сорбированных газов поверхностно-актив-ными веществами; в третью входят те, в которых деструкция системы "уголь-газ" осуществляется на молекулярном и надмолекулярном уровне (термобароградиентный и виброволновой (ультразвуковое и электромагнитное воздействие)).
Соответственно и степень дегазации угольного пласта, а значит и скорость газовыделения из него, определяются уровнем энергии деструкции природной системы "уголь-метан". Сведения об энергии деструкции природной системы "уголь-газ" приведены в таблице [3].
Однако, принципиальная возможность создания технологии добычи метана не позволяет пока установить однозначно критерии выбора видов техногенного воздействия на угольный. Эти критерии должны отвечать на вопрос о том какой вид воздействия является оптимальным для конкретного угольного пласта.
В шахтных условиях пока не получены сравнительные тенденции и закономерности, определяющие степень применимости основных видов воздействия для углей различной степени метаморфизма. Эти результаты получены в работе [4].
Конкретно выявлялась реакция природной системы "уголь-газ" на три вида техногенных воздействий, а именно: 1) силового (давление), 2) теплового и 3) виброволнового. При этом все три вида внешнего воздействия исследованы как теоретически, так и экспериментально.
В области исследования силового воздействия на систему установлены следующие результаты:
№ Форма нахожд. Относ. Тип связи Энергия деструкции
гр. газа содерж. % эв/м КДж/м Ккал/м
1 Свободный газ 5-6 Адгезионная 0,01-0,02 0,96-1,92 0,23-0,46
2 Сорбир. на поверх. и в макропорах 8-10 Физич. сорбция 0,1-0,2 9,6-19,2 2,3-4,6
3 Сорбир. в микропорах 20-25 Объемное заполнение 0,4-0,5 38,4-48 9,2-11,5
Клатратные соединения 10-12 Хемосорбция 0,8-1,2 76,8-115,2 18,4-27,6
Твердогазовый раствор 40-50 Раствор внедрения 1,5-2 144-192 34,5-46
Внуримолек. и надмолек. ассоциаты 3-5 Хим. взаимодействие 3,5-4 334-384 80-90
1) структурный параметр угольного вещества изменяет свое значение при увеличении внешнего силового давления, причем для диапазона давления до 8МПа эту зависимость можно рассматривать как ступенчатую функцию, а в диапазоне давлений до 200МПА - как линейную функцию с положительным коэффициентом пропорциональности;
2) процесс трансформации микроструктуры угольного вещества эффективнее всего реализуется для углей, имеющих значение выхода летучих веществ Уг=4-17,6 %, т.е. для антрацитов, тощих и паровично-спекающихся углей;
3) природные угли типа антрацитов, тощих и паровично-спекающихся углей, наиболее легко откликаются на внешнее силовое воздействие, что необходимо учитывать при разработке метода воздействия на них с целью интенсификации газовыделе-ния;
4) на стадии тощих углей процесс метаморфизма проходит устойчиво вплоть до антрацитов, тогда как для углей более ранних степеней метаморфизма наблюдается наоборот убыль ароматического углерода, что является отражением формирования углеводородной системы, присущей исключительно углям, имеющим Уг= 4-20 %.
Таким образом, теоретические исследования показывают, а экспериментальные результаты подтверждают, что во всем диапазоне силового воздействия от 0,2 до 200 МПа (критический параметр воздействия) происходит многоступенчатая трансформация структуры угольного вещества как на микро-, так и макроуровне, что приводит к образованию разветвленной сообщающейся системы фильтрационных каналов и созданию
условий для эффективной дегазации природной системы "уголь-метан".
В области исследования теплового вида воздействия на природную систему "уголь-газ" установлены следующие результаты:
1) энергетический параметр угольного вещества существенно изменяется как в зависимости от степени метаморфизма, так и от глубины залегания углей, причем если при увеличении выхода летучих веществ энергетический параметр уменьшается, то с увеличение глубины залегания - увеличивается;
2) изменение энергетического параметра математически описывается квадратичной функцией изменения температуры (термодинамического состояния) системы "уголь-газ", что свидетельствует об эффективности теплового воздействия, т.к. малому повышению температуры соответствует значительное изменение энергетического состояния угольного вещества и его сорбционных свойств;
3) дегазированное угольное вещество в пределах температур до 350 К является устойчивым (термостойким) как в отношении полиареновых ядер макромолекул, так и боковых групп;
4) газонасыщенная природная система "уголь-газ", находящаяся в неизменяемом силовом поле, организует процесс массопереноса при изменении температуры так, что сравнительно небольшое изменение температуры на величину АТ = 40-80 К приводит к дегазации угля на 10-20 % практически для всех степеней его метаморфизма.
Таким образом, теоретические расчеты и экспериментальные данные показывают, что наиболее эффективных результатов при использовании
теплового вида воздействия можно достичь, если критический параметр воздействия, т.е. градиент температуры АТ будет составлять величину 40-80К.
В области виброволнового воздействия на систему "уголь-газ" установлены следующие результаты:
1) основной причиной различия между теорией и практикой виброимпульсного воздействия на угольное вещество является ошибка в определении собственных (резонансных) частот колебаний угольного вещества, вызванная методикой их определения с помощью удара молотка по кровле пласта(а не по поверхности забоя) и установкой прибора-регистратора РАМШ также в кровле пласта, а не в самом пласте;
2) важнейшей динамической характеристикой микроструктуры угольного вещества является собственная частота колебаний микропор, составляющих микропористое пространство угля, причем установлено, что значение собственной частоты определяется коэффициентом поверхностного натяжения твердого газонасыщенного угольного вещества, упругостью сорбированного метана и массой кристаллитов, составляющих поверхность микропоры;
3) определяющей динамической характеристикой основного (наименьшего) элемента макроструктуры угольного вещества - сорбционной частицы - является собственная частота колебаний этого элемента системы "уголь-газ", причем значение этой частоты зависит от величины коэффициента поверхностного натяжения сорбционной частицы, а также упругости сорбированного газа и приведенного радиуса сорбционной частицы;
4) дополнительный эффект от виброволнового воздействия может реализоваться за счет воздействия резонансными частотами на мезо- и макро-поры угольного вещества, а также его суперсорб-ционные частицы, где содержится до 15-30% всего поглощаемого метана.
Определены критические параметры воздействия, т.е. критические (резонасные) значения частот внешнего виброволнового воздействия, приводящие систему "уголь-газ" в резонасное состояние с последующим распадом (разрушением) структуры угольного вещества, причем величина резонасной частоты для микропор составляет 8-10 Ггц, для ме-зопор - порядка 1 Ггц, для макропор - 10-100 Мгц, в
то время как для сорбционных и суперсорбционных частиц соответственно 2-25 Мгц и 0,7 Мгц.;
Эффект виброволнового воздействия на природную систему "метан-уголь" был подтвержден экспериментально при обработке ее электромагнитными волнами частотой 25 Мгц при энергии излучения от 0.5 до 1 кВт [5].
Таким образом, результаты комплексных теоретических и экспериментальных исследований по изучению условий распада природной системы "уголь-газ", обоснованию и характеристикам рассмотренных видов внешнего воздействия на систему позволяет сделать следующие основные выводы:
1) критический параметр силового воздействия составляет величину от 0,2 до 200 МПА, что способствует образованию разветвленной сообщающейся системы фильтрационных каналов и созданию условий для эффективной дегазации природной системы "уголь-метан".
Отличительной особенностью этого типа воздействия является его повторяемость, что позволит повысить извлечение метана из угольного пласта, т.е. интенсифицировать его газоотдачу, на 20-30 %.
2) критический параметр теплового воздействия, т.е. градиент температуры, имеет оптимальное значение АТ=40-80 К, что позволяет интенсифицировать газоотдачу угольного пласта на 10-20 % практически для всех степеней его метаморфизма.
3) критические параметры виброволнового воздействия на элементы структуры угольного вещества составляют для микропор 8-10 Ггц, для мезопор - порядка 1 Ггц, для макропор - 10-100 Мгц, в то время как для сорбционных и суперсорб-ционных частиц соответственно 2-25 Мгц и 0,7 Мгц.
Воздействие позволяет интенсифицировать газоотдачу пласта на 15-30%.
Таким образом, применение того или иного из рассмотренных видов воздействия определяется, главным образом, маркой угля или степенью его метаморфизма.
Так установлено, что силовой вид воздействия наиболее эффективен для углей типа антрацитов, тощих и паровично-спекающихся, т.е. углей, имеющих Уг= 4-17,6 %. Необходимо отметить, что, как известно, силовой вид воздействия (например, гидро- или газовый разрыв) так или иначе направлен на образование в пласте маги-
стральной трещины. Причем для формирования направления этой трещины еще до момента начала воздействия на поверхности пласта образуют зародышевую трещину.
В связи с этим необходимо отметить, что в традиционном методе гидроразрыва вся энергия распределяется равномерно по всей поверхности объема полости скважины, пробуренной в пласт. При этом на единицу поверхности зародышевой приходится такая же энергия, как и на любой элемент поверхности полости скважины. Поэтому КПД использования энергии гидроразрыва чрезвычайно мало и оценивается величиной менее 1 %.
Идея новой рекомендации состоит в том, чтобы энергию гидроразрыва распределить не по всей поверхности полости гидроразрыва, а сосредоточить только на поверхности зародышевой трещины. Для этого рекомендуется создавать энергию гидроразрыва за счет использования энергии направленного взрыва, ориентированного в пространстве за счет специального расположения зарядов не на всю поверхность камеры гидроразрыва, а только на поверхность зародышевой трещины.
В свою очередь тепловое воздействие эффективно практически для углей всех степеней метаморфизма; для достижения существенного эффекта (до 20 %) требуется, чтобы тепловое воздействие проводилось в диапазоне температур 40-80 °С.
Далее, что касается виброволнового вида воздействия, то исследования показали, что основной дополнительный эффект интенсификации извлечения метана может реализоваться за счет воздействия на мезо- и макропоры угольного вещества, т.е. вид воздействия даст наибольший
эффект для мезопористых углей, к которым относятся угли с Уг > 25 %.
В связи с этим наибольший эффект от внешнего виброволнового воздействия, приводящего систему "уголь-газ" в резонасное состояние с последующим распадом (разрушением) структуры угольного вещества, интенсифицирующим процесс газовыделения из угля, достигается при величинах резонасной частоты от 8-10 Ггц до 0,7 Мгц.
Таким образом, анализируя область применения рассмотренных методов внешнего воздействия на угольное вещество, следует сделать вывод о том, что эти методы эффективны в своей области изменения степени метаморфизма углей (тепловой -Уг= 2-42 %; силовой -Уг= 2-17,6 %; виброволновой - Уг> 25 %), а в комплексе они перекрывают всю область известных значений степени метаморфизма углей от 2 до 42 %.
К основным критериям выбора видов техногенного воздействия с целью интенсификации га-зовыделения из угольного пласта следует отнести:
1) горно-геологические условия залегания угольного пласта;
2) степень метаморфизма вещества угольного пласта;
3) степень извлечения угольного метана в результате интенсификации газовыделения метана из угольного пласта после применения техногенного воздействия и возможность обеспечения требуемых дебитов угольного метана;
4) энергетические затраты на реализацию техногенного воздействия;
5) энергетические затраты на 1 м3 добываемого угольного метана.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
lAirey E.M. Gas emission from broken coal. An experimental and theoretical investigation. Int.J.Rock Mech/ Min.Sci., vol 5, pp.475-494. Pergamon Press, 1968.
2. Walker P.L.Ir., Austin L.G. and Nandi S.G. Chemistri and phisics of carbon/ Volume 2. "Activated diflu-sion of gases in molekularsive materials". Mercel Deccer, Ins., New York, 1966.
3. Отчет "Анализ результатов исследований и промышленных экспериментов по применению искусственных воздействий на горный массив в целях интенсификации извлечения углеводородов из нефтяных, газовых и угольных месторождений". МГГУ, М., 1998, 100 с.
4. Отчет "Исследование условий распада системы "уголь-газ", обоснование рациональных мето-
дов воздействия на угольный пласт с целью интенсификации его газоотдачи". ИПКОН РАН, М., 1999 , 176 с.
5. Теоретические и экспериментальные исследования термодинамических параметров распада твердого газоугольного раствора для использования эффективных методов интенсификации извлечения метана из угольных пластов. Заключитель-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Бобин В.А. - доктор технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
