CC BY
57
8. Bulychev N. S. On the calculation of tunnel linings in very weak soils // SB. nauch. Tr. mezhdunar. konf. "Problems of underground construction in the XXI century": April 25 - 26, 2002. Tula: Izd-vo Tulgu. 2002. Pp. 35-37.
9. Muskhelishvili N. I. some basic problems of the mathematical theory of elasticity. Moscow: Nauka, 1966. 707 p.
10. Aramanovich I. G. stress distribution in an elastic semi-plane weakened by a reinforced circular hole // Reports of the USSR Academy of Sciences, Issue 104, No. 3, 1955, pp. 372-375.
УДК 622.453
ПРИМЕНЕНИЕ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ГАЗООТДАЧИ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
О.В. Тайлаков, Д.Н. Застрелов, Е.А. Уткаев, М.П. Макеев
Рассмотрена технология нагнетания концентрированного углекислого газа в разрабатываемый угольный пласт через горизонтальные скважины, пробуренные из горных выработок, для повышения его метаноотдачи. Разработана и исследована в среде Comsol Multiphysics численная модель, описывающая процесс закачки углекислого газа в массив горных пород. Приводятся результаты численных экспериментов по исследованию зоны и параметров влияния закачиваемого диоксида углерода на равноудаленные дегазационные скважины.
Ключевые слова: парниковые газы, улавливание и концентрирование углекислого газа, секвестрация двуокиси углерода, шахтный метан, угольные пласты, численная модель, дегазация.
Нагнетание СО2 в разрабатываемый угольный пласт через горизонтальные скважины, пробуренные из горных выработок, позволяет повысить газоотдачу дегазационных скважин пластовой дегазации [1-5]. Такой метод утилизации двуокиси углерода включает следующие основные этапы: улавливание из дымовых газов углекислоты и ее концентрирование, компримирование и заправка баллонов углекислым газом, транспортировка баллонов в шахту и подключение их к скважинам, подача СО2 в скважины. В процессе сорбирования СО2 в угольном пласте происходит вытеснение метана из угольной матрицы, который затем выводится на поверхность через систему дегазационных трубопроводов на поверхность (рис. 1). Для улавливания в исходящих дымовых газах и концентрирования СО2 может быть использована блочно-модульная установка в контейнерном исполнении, которая обеспечивает сжатие газа и заправку им баллонов с помощью, например, компрессора 2УП, предназначенного для сжатия газообразного диоксида углерода до давления 73 атм.
В соответствии с нормативными документами содержание углекислого газа в рудничной атмосфере не должно превышать 0,5 % в выработках с исходящей струей крыла и 0,75 % в горизонте и шахте в целом. Для обеспечения этих требований необходимо обеспечивать непрерывный мониторинг процесса закачки углекислого газа в угольный пласт и контроль содержания углекислого газа в горных выработках [6].
Угольная котельная
Улавливание и концентрирование С02
- Компримирование С02
Разрабатываемый угольный пласт
Дегазационная скважина
Баллоны для подачи СО2
Рис. 1. Технология улавливания и подачи СО2 в угольный пласт для стимуляции метаноотдачи
Для изучения процесса размещения СО 2 в угольном пласте [7-9] и выбора рационального расстояния между дегазационными скважинами и скважиной подачи двуокиси углерода с замещением метана исследована численная модель, описывающая движение углекислого газа в угольном пласте во времени V.
д
б = -(ре) + У(ри),
д?
(1)
где и = - скорость потока, м/с; р - давление, Па; к -
проницаемость, мД; р- плотность газа, м /кг; ^ - вязкость жидкости, Па-с;
УБ - единичный вектор; е - пористость; g - ускорение свободного паде-
2 3
ния, м/с ; Q - поток, м /с.
Численные эксперименты проводились в среде программного пакета COMSOL Multiphysics на основе расчетной схемы (рис. 2), отображающей угольный пласт (1) с размещенными в нем дегазационными скважинами (2), предназначенными для извлечения метана и нагнетания скважиной диоксида углерода (3).
Рис. 2. Расчетная схема для исследования в численных экспериментах процесса нагнетания в угольный пласт и извлечения из него метана: 1 - угольный пласт; 2 - дегазационная скважина; 3 - скважина для нагнетания ^2; 4 - трещинно-поровое
пространство
Начальные условия модели заданы в предположении, что нагнетание диоксида углерода в угольный пласт происходит перпендикулярно к границе раздела сред 2, а газодинамическая связь между скважинами формируется вдоль внутренних границ 4 трещин /т (рис. 2) и описывается уравнениями
= жА (ер)+уг (Р я/); (2)
ж
рм0 =прк (Vр + рgVD),
(3)
где и0 - начальное значение скорости газа при нагнетании, м/с; п - вектор нормали при заданных условиях; я/ - объемный расход жидкости в трещине на единицу длины, м3/м; Ж/ - ширина трещины, м; VТ - оператор
градиента, ограниченный касательной плоскостью трещины; е/ - пористость трещин.
Начальные условия и исходные данные моделирования представлены в таблице.
Параметр Значение
Диаметр скважины, м 0,096
Мощность пласта на участке бурения скважины кпл, м 6
Внутрипластовое давление Рпласт, атм. 200
Температура угольного пласта 1гл, °С 25
Модуль упругости Юнга Е, МПа 1,65-104
Плотность угля р, кг/м3 1 240
Проницаемость к, мД 5
б
Рис. 3. Распределение давления углекислого газа при его нагнетании в угольный пласт, разбуренного скважинами с интервалом 15 м: а - трехмерное представление; б - двумерное представление в плоскости сечения осей скважин
В численных экспериментах исследовалась зона и параметры влияния закачиваемого диоксида углерода на равноудаленные соседние скважины при изменении расстояния между ними от 15 до 35 м с шагом 5 м и постоянном давлении нагнетания углекислого газа РСО2 = 35 атм. При этом все серии численных экспериментов выполнялись при одинаковых начальных условиях. На рис. 3 в качестве иллюстрации представлены результаты
численного моделирования процесса закачки СО2, полученные при расстоянии между скважинами Ь скв = 15 м.Установлено, что в этом случае при заданных условиях все скважины объединяются в единую систему. При этом давление в прискважинной области возрастает по мере удаления от оси скважины (рис. 3). Так, например, на удалении 5 м в глубь массива давление вблизи скважины возрастает со 110 до 125 атм.
Дополнительно на основе установленной в численных экспериментах скорости потока V метана, фильтрующегося из прискважинной зоны радиусом г через поверхность дегазационной скважины протяженностью I, определен суммарный дебит т = 2 дегазационных скважин:
П = ту2пг1. (4)
При этом установлен существенно нелинейный характер увеличения суммарного дебита П дегазационных скважин при уменьшении расстояния Ь скв между дегазационными скважинами и увеличении времени нагнетания углекислого газа в угольный пласт (рис. 4).
40 60 80
Время, мин.
Рис. 4. Зависимость дебита дегазационных скважин Ппо газу метану от продолжительности нагнетания углекислого газа в угольный пласт при изменении расстояния Ьскв между скважинами
Заключение
В численных экспериментах, выполненных на основе разработанной в среде COMSOL Multiphysics модели движения потоков углекислого газа и метана, показано, что при расстоянии между скважинами Ьскв = 15 м при нагнетании в угольных пласт углекислого газа под давлением РСО2 = 35 атм наблюдается значительное увеличение дебита (до 70 %) дегазационных скважин по газу метану в течение первых 40 мин в процес-
се его замещения углекислым газом. При увеличении расстояния между скважинами до L скв = 20 м дебит дегазационных скважин по газу метану увеличивается на 50 %. В дальнейшем результаты численных экспериментов будут использованы для выбора параметров оборудования, обоснования схемы размещения его компонентов при проведении натурных экспериментов в шахтных условиях по стимуляции метаноотдачи угольных пластов при нагнетании в них углекислого газа. Ожидается, что применение двуокиси углерода для повышения эффективности дегазации угольных пластов будет способствовать повышению безопасности ведения горных работ, увеличению объемов утилизации шахтного метана и снижению его антропогенных выбросов в атмосферу в условиях угольных шахт Кузбасса.
Список литература
1. Специальный доклад МГЭИК «Улавливание и хранение двуокиси углерода» / Б. Метц [и др.] // МГЭИК. 2005. 57 с.
2. Карвацкий А.Г. СО2 - эффективный заменитель буферного газа ПХГ // Газовая промышленность. 1985. №7.
3. Опыт "Газ де Франс" по замещению части буферного газа ПХГ выхлопными газами. Транспорт, переработка и использование газа в зарубежных странах. М.: ВНИИЭГазпром, 1989. № 17.
4. Рубан Г.Н., Михайловский А.А. и др. Проведение теоретических и экспериментальных исследований по возможности использования углекислого газа для частичной замены буферного природного метанового газа на ПХГ. Этап 2. Разработка технологических решений по созданию и эксплуатации ПХГ в пористых пластах с комбинированным (природный метановый газ + углекислый газ) буферным газом: отчет о НИР/ ООО «Газпром ВНИИГАЗ». М., 2011.
5. Крейнин Е.В. Негативное воздействие парниковых газов на глобальное изменение климата // Газовая промышленность. 2004. № 1. С. 7071.
6. Сластунов С.В., Карашадзе Г.Г., Харин Ю.В. Модель массопере-носа диоксида углерода и метана в технологии захоронения парниковых газов в некондиционных угольных пластах // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009. №12. C. 359-366.
7. Тайлаков О.В., Уткаев Е.А., Смыслов А.И. Мониторинг параметров гидродинамического воздействия на угольный пласт в шахтных условиях // Наука и техника в газовой промышленности. 2018. №1 (73). С. 8890.
8. Тайлаков О.В., Уткаев Е.А. Моделирование фильтрации жидкости при изменении проницаемости в призабойной зоне скважины // Горный Информационно-аналитический бюллетень. 2008. № ОВ7. С. 145-149.
9. Physical modeling of fluid flow in the near-wellbore formation zone on the basis of equivalent materials / O.V. Tailakov [and others] // Applied Mechanics and Materials. 2015. V. 770. Р. 349-353.
Тайлаков Олег Владимирович, д-р техн. наук, проф., oleg25 [email protected], Россия, Кемерово, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук,
Застрелов Денис Николаевич, канд. техн. наук, [email protected], Россия, Кемерово, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук,
Уткаев Евгений Александрович, канд. техн. наук, [email protected], Россия, Кемерово, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук,
Макеев Максим Павлович, канд. техн. наук, m makeevquglemetan.ru, Россия, Кемерово, Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук
APPLICA TION OF CARBON DIOXIDE TO INTENSIFY TO DEVELOP COAL SEAM GAS
RECOVERY
O. V. Tailakov, D.N. Zastrelov, E.A. Utkaev, V.P. Makeev
The technology of injection of concentrated carbon dioxide into the developed coal seam through horizontal boreholes drilled from the mine workings in order to increase its methane recovery is considered. A numerical model is developed and studied in the Comsol Mul-tiphysics environment, which describes the process of injection of carbon dioxide into a rock mass. The results of numerical experiments on the investigation of the zone and parameters of injected carbon dioxide influence on equidistant degassing boreholes are presented.
Key words: greenhouse gases, capture and concentration of carbon dioxide, sequestration of carbon dioxide, mine methane, coal seams, numerical model, degassing.
Tailakov Oleg Vladimirovich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Kemerovo, Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences,
Zastrelov Denis Nikolaevich, candidate of technical sciences, [email protected], Russia, Kemerovo, Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences,
Utkaev Evgeniy Aleksandrovich, candidate of technical sciences, [email protected], Russia, Kemerovo, Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences,
Makeev Maxim Pavlovich, candidate of technical sciences, [email protected], Russia, Kemerovo, Federal Research Center of Coal and Coal Chemistry of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Special report of the IPCC "carbon dioxide Capture and storage" / B. Metz [et al.] // IPCC. 2005. 57 p.
2. Karvatsky A. G. CO2 is an effective substitute for UGS buffer gas // Gas industry. 1985. No. 7.
3. GAZ de France Experience in replacing part of the UGS buffer gas with exhaust gases. Transport, processing and use of gas in foreign countries, Moscow: Vniiegazprom, 1989, no. 17.
4. Ruban G. N., Mikhailovsky A. A. and others. Conducting theoretical and experimental studies on the possibility of using carbon dioxide to partially replace natural methane buffer gas in UGS. Stage 2. Development of technological solutions for the creation and operation of UGS in porous formations with combined (natural methane gas + carbon dioxide) buffer gas. Research report / Gazprom VNIIGAZ LLC. M.: 2011.
5. Kreinin E. V. Negative impact of greenhouse gases on global climate change // Gas industry. 2004. no. 1. Pp. 70-71.
6. Slastunov S. V., Karashadze G. G., Kharin Yu. V. Model of mass transfer of carbon dioxide and methane in the technology of greenhouse gas burial in unconventional coal seams // Mining information and analytical Bulletin. 2009. No. 12. C. 359-366.
7. Tailakov O. V., Utkaev E. A., Smyslov A. I. Monitoring of parameters of hydro-dynamic impact on the coal seam in mine conditions // Science and technology in the gas industry. 2018. No. 1 (73). Pp. 88-90.
8. Tailakov O. V., Utkaev E. A. Modeling of liquid filtration when the permeability changes in the bottom-hole zone of a well // Mining Information and analytical Bulletin. 2008. No. 127. Pp. 145-149.
9. Physical modeling of fluid flow in the near-wellbore formation zone on the basis of equivalent materials / O. V. Tailakov [and others] // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol 770. PP 349-353.
УДК 622.691.2:504.064.4:502.55
ИНЖЕКЦИЯ ДВУОКИСИ СЕРЫ В ПЛАСТ, НАСЫЩЕННЫЙ МЕТАНОМ И ЛЬДОМ, СОПРОВОЖДАЮЩАЯСЯ ГИДРАТОБРАЗОВАНИЕМ
М.К. Хасанов
Представлены результаты теоретического исследования процесса образования газогидрата диоксида серы при инжекции жидкой двуокиси серы в пласт, насыщенный льдом и метаном. Исследованы зависимости температуры границы образования газогидрата диоксида серы от проницаемости пласта и его начального давления. Установлено, что при высоких значениях давления инжекции и проницаемости пласта, а также низких значениях начального давления образование газогидрата диоксида серы будет сопровождаться плавлением льда.
Ключевые слова: фильтрация, газогидраты, пористая среда, диоксид серы,
лед.
Одним из способов снижения эмиссии двуокиси серы в атмосферу
