Применение методов физического и имитационного (компьютерного) моделирования для решения задач управления геомеханическим состоянием массива при добыче метана из неразгруженных пластов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© Б.Ю. Зуев, М.Г. Мустафин, 2002

УДК 622.411.33

Б.Ю. Зуев, М.Г. Мустафин

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ФИЗИЧЕСКОГО И ИМИТАЦИОННОГО (КОМПЬЮТЕРНОГО) МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА ПРИ ДОБЫЧЕ МЕТАНА ИЗ НЕРАЗГРУЖЕННЫХ ПЛАСТОВ

£

£

<1

Зависимость степени разгрузки сг/уН для одиночной скважины по ее оси от расстояния до дегазируемого пласта при различных значениях г /т

а/уН

1,0

40.0 56.0 72.0 88.0 104.0 120.0 136.0 152.0 168.8 192.0 288.8 224.0 240.0 256.8 272.8

Деформации ("усадки") пласта мощностью т=2м при размерах податливой зоны 10.8м (1) и 21.6м (2) на горизонте Та =0 (размерные величины пересчитаны на натуру)

П ри исследовании геомеханиче-ских процессов при добыче метана из неразгруженных угольных пластов можно провести определенные аналогии с разработкой нефтяных и газовых месторождений, где наблюдаются значительные вертикальные и горизонтальные смещения земной поверхности, достигающие величин до нескольких метров со скоростями до нескольких десятков сантиметров в год [1]. Эти внешние проявления нарушения естественного равновесия массива горных пород являются результатом извлечения газа и нефти из мощных продуктивных пластов нефтегазовых месторождений с глубин, достигающих нескольких километров, что приводит к изменению напряженно-деформированного состояния (НДС) массива во всей толще массива до земной поверхности.

Очевидно, что масштаб и параметры этих явлений существенно различаются: глубина расположения метаноугольных месторождений не превышает 1,5 км; мощность пластов -единиц десятков метров, пласты обладают сравнительно низкой пористостью и проницаемостью, ожидаемые деформации продуктивной толщи при извлечении метана по предварительным оценкам не превышают нескольких процентов.

Для более глубокого качественного анализа происходящих процессов и получения основных количественных характеристик НДС при извлечении метана с помощью промысловых скважин из неразгруженных угольных пластов была разработана комплексная методика физического и компьютерного моделирования этих процессов и произведено ее тестирование при решении ряда конкретных задач. Методика базируется на трех методах моделирования: физического моделирования на газонасыщенных образцах из натурных материалов (НМ), физического моделирования на эквивалентных материалах (ЭМ) и компьютерного или имитационного моделирования (КМ).

Моделирование на НМ позволяет исследовать изменение объемных деформаций (усадки) при дегазации газонасыщенных образцов угля (наРис. 1

Рис. 2

Рис. 3. Общая картина распределения вертикальных напряжений у дегазированной зоны от одиночной скважины

Рис. 4. Фрагмент модели с распределением вертикальных напряжений

Рис. 5. Фрагмент модели с распределением вертикальных смещений

чальное давление газа до 2 МПа) при различных видах напряженно-деформированного состояния (НДС) и имитации давлений, действующих на глубинах до 1500 м. Установленные в ходе исследований диапазоны изменения усадки, приведенные к угольным пластам (Аш/штах<2.5-3.0 %), являются входными параметрами для расчета приведенных модулей деформации (Едеф), изменяющихся в хо-

де моделирования дегазации и зависящих от степени дегазации.

Полученные величины Едеф на основании теорем подобия [2] приводятся к деформационным параметрам физических моделей из ЭМ и "закладываются" в исходные параметры для КМ. На физических и компьютерных моделях решаются задачи исследования изменения НДС горного массива, включающего в общем случае свиту угольных пластов при дегазации

угольных пластов, по мере расширения площади промысловой добычи при введении новых скважин. На данном, первом этапе проводимых исследований предполагается, что использование активных методов интенсификации газоотдачи первоначально неразгруженных угольных пластов обеспечивает изменение Едеф в установленных пределах. Разработанные методики моделирования позволяют учитывать изменения Едеф в зависимости от расстояния до дегазационных скважин, связанные с различной степенью дегазации угольного массива.

Физическое моделирование на ЭМ проводилось на стендах 3,0х1,5х0,2 м. Прочностные и деформационные параметры ЭМ с учетом коэффициентов подобия соответствовали вмещающим породам и угольным пластам со средней прочностью Rсж = 50 МПа и Едеф = 104 МПа; 10 МПа и 103 МПа, соответственно. Моделирование усадки производилось путем замены одного типа ЭМ угольных пластов -другим, с заданной величиной Едеф, полученного в результате моделирования на НМ. Деформации определялись с помощью оптических тензометров с точностью до 0,025 мм, а напряжения - с помощью микродинамометров типа МДГ-3 с точностью до 0,001 МПа [2]. Компьютерное моделирование (имитационное моделирование численными методами) осуществлялось на базе программных комплексов "Недра 2D" (плоские модели) и "Недра 3D"

(объемные модели). Моделирование основано на использовании метода конечных элементов (МКЭ) [3, 4, 5].

Сравнительное физическое и компьютерное моделирование геомеха-нических процессов при дегазации угольных пластов проводилось как для одиночной дегазационной скважины, так и для групп скважин при увеличении площади промысла при дегазации одиночных и свит угольных пластов.

По исследованиям геомеханиче-ских зон вокруг одиночной скважины анализировались параметры "усадки" и зоны разгрузки угольных пластов

методом физического моделирования применительно к конкретным параметрам массива (т = 2м, Н = 400 м). Было показано, что в окрестности скважины - максимальные усадки достигали 1,5 % (30 мм - в пересчете на натуру), а напряжения уменьшились до 20-25 % от исходных (рис. 1, 2). При этом степень разуплотнения по вертикали єг была одного порядка с предельными деформациями растяжения єг и [Єщ, ]. В проведенных расчетах "усадки" для одиночной скважины методами компьютерного моделирования были рассмотрены "вилки" мощностей пластов от 1 до 10 м на глубинах 400-600 м с требуемыми величинами модулей деформаций угольных пластов.

Отдельно проведенный расчет по КМ для конкретных параметров, соответствующих физической модели (т = 2 м, Н = 400 м) показал, что степень разгрузки в зоне дегазации достигала 25-60 % (см. рис. 3, 4), а расчетные величины "усадки" в центре зоны дегазации составили 0,9 % (рис. 5). На иллюстрациях напряжения приведены в МПа, а смещения в мм.

Таким образом, экспериментальные и расчетные величины дают удовлетворительное совпадение. Различие же полученных данных свидетельствует о наличии объективного фактора (расслоения толщи), который несколько искажает результаты компьютерного моделирования. Тем не менее можно говорить о возможности совместного и физического и компьютерного моделирования геомеханических процессов при дегазации с помощью одиночной скважины при условии Єг Z [Єпр ].

Физическое моделирование геоме-ханических процессов для групп скважин при увеличении площади промысловой добычи при дегазации одиночного пласта путем ввода новых скважин позволило установить закономерности изменения величины разуплотнения вмещающих пород в почве и кровле угольного пласта.

Было показано, что в случае отработки одиночного мощного пласта, в кровле которого залегают труднообру-шающиеся породы, закономерности изменения величины разуплотнения массива имеют явно выраженный нелинейный характер (рис. 6). Зоны с повышенной плотностью чередуются с зонами разуплотнений.

Установлено существование зон расслоения массива, в которых дефор-

мации растяжения достигали величин 0,7-10-3 « [8щ], коэффициенты концентрации напряжений снижались до 10% от исходных (рис. 7), а в зоне уплотнения массива концентрации напряжений достигали 2,5уН. Сходная картина распределения напряжений получена и при компьютерном моделировании, что, очевидно, было вызвано выполнением неравенства в2 Z [бщ, ].

В случае отработки одиночного мощного пласта, в кровле которого залегают легкообрушающиеся породы, установлено, что максимальные величины деформаций растяжений не превышали

0,25-10-3, а напряжения в зонах разгрузки снижались до 25% от исходных. При этом максимальные коэффициенты

концентрации напряжений достигали величины 2,5. Как и в предыдущих случаях, при решении поставленной задачи допустимо использование методов компьютерного моделирования.

При дегазации свиты пологих пластов с различным порядком их отработки установлено, что в зонах разуплотнения массива максимальные величины деформации растяжения достигают 0,60,7-10-3, а деформации сжатия в зонах уплотнения - 0,4-0,5-10-3.

Таким образом, вне зависимости от схем дегазации одиночных и свит угольных пластов максимальные величины растяжений в зонах разуплотнения массива не превышают величин (0,71,2) 10-3, что сопоставимо с величиной [бпр ]. Основные различия в закономерностях изменения деформаций растяжения при применении различных схем дегазации связаны с характером чередования зон растяжений и разуплотнений, а также с их размерами. Как было показано, максимальные различия в оценке "усадок" угольных пластов и величин

напряжений в зонах разгрузки, полученные методами физического и компьютерного моделирования, достигали соответственно 60 и 12%.

Следует ожидать, что в зонах разрывов сплошности, параметры которых были установлены методами физического моделирования, величины этих различий достигают значительно больших размеров. И, наоборот - в зонах концентраций напряжений с повышенной плотностью эти различия минимизируются. Итак: методы компьютерного моделирования предпочтительнее использовать, исследуя дегазацию угольных пластов при их сравнительно небольшой "усад-ке", когда требуется "перебрать" большое количество вариантов схем отработки со сравнительно небольшими трудовыми затратами. В случае приближения величин деформаций растяжения к [блр ] и ее превышения следуют ожидать резкого возрастания погрешности определения параметров сдвижений и напряжений. В этом случае наиболее целесообразно использование методов моделирования на физических моделях, которые позволяют определять эти параметры даже при разрывах сплошности массива, а также определять граничные условия, необходимые для корректировки параметров модели при решении таких задач методами компьютерного моделирования. При промысловом извлечении метана из неразгруженных угольных пластов разработанные методы моделирования могут быть полезны для получения оперативной информации, позволяя корректировать параметры моделей по результатам прямых экспериментальных исследований в ходе проводимых работ и прогнозировать развитие геомеханических процессов в реальном масштабе времени.

1. Герович Э.Г., Дементьев Л.Ф. и др. Научно-методические основы геодинамического и маркшейдерско-геологического прогнозирования зон разрушения нефтепромысловых систем и экологической безопасности при проектировании и разработке нефтяных и газовых месторождений. Пермь, Перм.Гос.техн.ун-т, 1995, - 199 с.

2. Моделирование в геомеханике / Ф.П. Глушихин, Г.Н. Кузнецов, М.Ф. Шклярский и др. - М.: Недра, 1991. - 240 с.

3. Zienkiewinz O.C. The Finite Element Method in Engineering Science. London. Mc.Graw-Hill, 1971 a.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Александров А.В., Потапов В.Д. Основы теории упругости и пластичности: Учеб. для строит.спец.вузов. М., Высш.шк., 1990, 400 с.

5. Мустафин М.Г. Геомеханическая модель системы "выработка - вмещающие породы" и ее использование при прогнозировании динамических проявлений горного давления. В сб. научных трудов "Горная геомеханика и маркшейдерское дело", С.-Пб, ВНИМИ, 1999.

Зуев Б.Ю.— кандидат технических наук, ВНИМИ, Санкт-Петербург. Мустафин М.Г. — кандидат технических наук, ВНИМИ, Санкт-Петербург.