CC BY
34
© Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова, В.В. Гурьянов, Н.Г. Матвеенко, 2002
УДК 622.411.33:533.17
Г.Н. Фейт, О.Н. Малинникова,
В.В. Гурьянов, Н.Г. Матвеенко
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ МЕТАНООТДАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПО КОМПЛЕКСУ ГЕОЛОГО-ФИЗИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
Проблеме эффективного извлечения метана из угольных пластов скважинами с поверхности придается в последнее время большое значение в странах с развитой угольной промышленностью (США, Австралия, Китай, Россия и др.), так как ее решение отвечает современным экологическим, ресурсосберегающим и экономическим требованиям развития отрасли.
В связи с этим, первостепенное значение приобретает задача создания метода оценки метаноотдающей способности угольных пластов. Назначение такого метода состоит в прогнозировании газоотдающей способности угольных пластов на стадии геологоразведочных работ при выборе перспективных площадей и горизонтов для извлечения угольного метана и мест заложения промысловых скважин, а также для определения газоотдающей способности угольных пластов на стадии опытно-промышленного освоения участков добычи угольного метана и выборе способов интенсификации их газоотдачи. При этом научно обоснованное решение вопросов определения перспективности извлечения метана из угольных пластов должно базироваться на использовании инженерно доступных геомеханических и геофизических способов оценки и контроля свойств и состояния газоносного угольного массива в местах предполагаемого извлечения метана.
При разработке метода нами принималась следующая физическая модель газонасыщенного угля.
• Природные угли являются трещиновато-пористой сорбирующей средой, основная масса метана («90-95%) находится в адсорбированной фазе в блоках. При равновесном состоянии количество метана определяется величиной концентрации (давления) свободного газа в трещинах в соответствии с законами сорбции.
• Истечение метана по трещинам происходит по законам фильтрации, а выделение газа из структурных блоков по законам диффузии.
• При истечении метана по системе трещин угольного пласта в скважину происходит приток его с периферии области влияния скважины, а также приток метана к трещинам из блоков.
• Газопроницаемость угольных пластов определяется их трещиноватостью, которая формируется как в процессе генезиса углей (эндогенная), так и в результате тектонических процессов (экзогенная).
Выполненными исследованиями установлено [1], что в качестве базовых показателей, определяющих способность
угольных пластов к газоотдаче, целесообразно рассматривать взаимосвязь следующих трех свойств угля: прочность - трещиноватость (степень тектонической нарушенности) - газопроницаемость. Установлено, что газопроницаемость углей прочных и тектонически ненарушенных превышает газоносность углей малопрочных, тектонически нарушенных в десятки раз. Отмечается также, что эта важная особенность косвенно подтверждается американскими данными, приведенными в работе [2], согласно которым угли бассейна Сан-Хуан, особенно благоприятные для извлечения метана, отличаются высокой хрупкостью и газопроницаемостью
На рис. 1 показана экспериментально установленная взаимосвязь трещинной газопроницаемости углей кт с их показателем прочности по кавернометрии & и степенью тектонической нарушенности.
При рассмотрении полученной зависимости следует отметить, что коэффициент трещинной газопроницаемости углей кт определялся расчетно-экспериментальным методом по формуле Ромма:
кт = СЬ! (1)
где кт - коэффициент трещинной проницаемость в мД; С -численный коэффициент, зависящий от геометрии системы трещин; Ь - ширина, раскрытие трещины, мм-1.
Анализируя результаты оценки газопроницаемости, следует учитывать, что в расчетах, выполняемых по формуле (1), используются данные о величине раскрытия трещин Ь, полученные на образцах угля, разгруженных от горного давления. Вместе с тем, из лабораторного эксперимента и натурных данных хорошо известно, что газопроницаемость угля в условиях действия напряжения сжатия резко (на 2-3 порядка) уменьшается. Поэтому для оценочных расчетов на практике следует пользоваться скорректированным коэффициентом газопроницаемости к кт
к = -^ 100
(2)
где к - коэффициент газопроницаемости, скорректированный с учетом сжимающего действия горного давления для глубин Н > 400 м (т.е. ст > 10 МПа), мД.
Диффузия газа в угле определяет скорость, с которой
десорбирующийся газ движется в ненарушенном блоке угля до ближайшей трещины, где его дальнейшее движение описывается уже законами фильтрации.
Исследования, проведенные в ИГД им. А.А. Скочинско-го под руководством М.Ф. Яновской, показали, что относительное количество метана, десорбирующегося из малона-рушенного угля при сбросе давления на его поверхности, удовлетворительно описывается уравнением диффузии из однородного сферического тела [3], решение которого имеет вид:
D t
= 1 - 6 Л • ехР
к „п
2 2 - п к
R2A
(3)
где q(t) - отношение количества газа десорбировавшегося за время ^ с к сорбционной емкости угля; D - эффективный коэффициент диффузии метана в угле, см2/с; А - коэффициент адсорбции, отношение сорбционной емкости угля (а, см3/г) к содержанию свободного газа в порах угля ^0,см3/г), т.е. А = аМ>; R - радиус куска (структурного блока) угля, см.
Эффективный коэффициент диффузии D рассчитывался по экспериментально определенной кинетике газовыделе-ния. При этом найдено, что, если D рассчитывается по времени, за которое выделится половина сорбированного углем газа, то приведенные формулы приближенно описывают процесс десорбции метана также и из нарушенных углей. Полученный таким образом эффективный коэффициент диффузии зависит от трещиноватости и нарушенности угля (рис. 2), так как, кроме диффузии метана в тонких порах угля, учитывается также и фильтрация его в микротрещинах.
Квадратичная зависимость D от L, установленная опытным путем для нарушенных углей в виде D = сЬЬ2 (где с -постоянная, Ь - среднее зияние трещин. мм) отмечалась также в работе [4].
На рис. 3 приведены значения эффективных коэффициентов диффузии в зависимости от выхода летучих для углей Донецкого бассейна.
Связь эффективного коэффициента диффузии со степенью метаморфизма угля имеет минимум в области Vdaf и 25 % (рис. 3), что можно объяснить наименьшей прочностью углей в этой области [5].
На рис. 4 показаны графики относительного газовыде-ления (диффузии) метана из кусков (структурных блоков) прочного угля І-П степени тектонической нарушенности при
значениях А = 0,9 и D = 5-10'6, см2/с. Так как среднее расстояние между трещинами для углей I степени нарушенности составляет 4 мм, а второй - 1,9 мм [4], кинетика газо-выделения (рис. 4) рассчитывалась для блоков размерами R = 0,2 см (П степень нарушенности), R = 0,4 см (I степень) и R = 0,8 см.
Как следует из графиков, при R = 0,2 см (П степень нарушенности), из структурного блока за время t = 105 с (28 час. десорбируется больше 80 % метана, а из структурного блока с R = 0,4 см (I степень нарушенности), за время t = 105 с десорбируется около 50 % метана, а 80 % метана де-сорбируетс за t = 3,4405 с («3,9 суток). Даже из структурного блока размером 0,8 см за t = 11,6 суток (106 с) выделится больше 70 % сорбированного газа.
Для сравнения на рис. 5 показано относительное газо-выделение из структурных блоков нарушенного угля, D = 10-4 см2/с. Так как для углей IV степени тектонической на-
ляет 0,88 мм, а для V степени - 0,56 мм, относительное га-зовыделение рассчитывалось по формуле (1) для R = 0,06 см, R = 0,09 см и R = 0,15 см.
Из рис. 5 видно, что из структурных блоков углей IV и V степени нарушенности за полчаса (1800 с) выделиться более 90 % сорбированного метана. Из структурного блока большего размера R = 0,15 см более 75 % метана десорбируется за 2000 с (0,56 часа).
Как видно из сравнения рис. 4 и 5 из нарушенного угля метан выделяется значительно быстрее. Дальнейшее движение метана по углю происходит уже по трещинам между структурными блоками и описывается законами фильтрации газа. Скорость фильтрации существенно зависит от условий, в которых находится уголь, так как под нагрузкой зияние трещин уменьшается. Диффузия осуществляется в порах и микротрещинах, размер которых не зависит от нагрузки на уголь.
t
^ с
Рис. 5. Кинетика выделения метана из структурных блоков нарушенного угля. (IV, V степень нарушенности): Верхняя кривая соответствует R = 0,06 см; средняя R = 0,09 см, нижняя - R = 0,15 см.
2-10
В исследованиях, проведенных в И.Б. Ковалевой и Е.А. Соловьевой [6] размер ненарушенного фрагмента угля колеблется от 1,6-10-4 см до 22,4-10-4 см, а коэффициент диффузии, определенный для таких фрагментов - от 1,8-10-12 см2/с до 86-10-12 см2/с.
В табл. 1. приведены относительные количества метана, десорбирующегося из частиц угля со среднем эффективным радиусом ненарушенного фрагмента R, рассчитанные по данным R и D, приведенным в работе [6].
Из приведенных в табл. 1 значений q(t) следует, что большая часть газа, заключенного в угле, диффундирует из ненарушенных фрагментов угля за время t = 5-105 с (5,8 суток), а за время t = 106 с (11,6 суток) - практически весь газ или от 82 до 96% для угольных проб, приведенных в работе [6]. То есть диффузия газа из ненарушенных фрагментов угля в микротрещины происходит достаточно быстро и в конечном итоге скорость газоотдачи угля определяется его фильтрационными свойствами. Это же подтверждается результатами расчетов, приведенных в работе [7], где временные параметры, характеризующие диффузию газа имеют максимальный порядок 104 с, что соответствует нескольким часам.
Если наиболее быстрый выход газа из пробы 8 (табл. 1) можно объяснить тем, что уголь отбирался из зоны нарушения, как указали авторы [6], то можно предположить, что даже столь малые фрагменты угля учитывают его нарушен-ность.
Выполненные расчеты позволяют сделать вывод, что из структурных блоков ненарушенных углей основная масса газа выделяется в трещины меньше чем за 12 суток. Для нарушенных углей этот процесс происходит еще быстрее. Так как дальнейшее движение газа определяется его фильтрацией по трещинам, то эти результаты еще раз подтверждают, что способность угля к мета-ноотдаче практически полностью определяется его фильтрационными свойствами.
Установлено, что в качестве базовых показателей преимущественно определяющих способность угольных пластов к газоотдаче целесообразно рассматривать
взаимосвязь следующих трех свойств угля: прочность -трещиноватость - газопроницаемость.
Критерий выбора перспективных участков добычи метана в конечном итоге должен быть функцией следующих показателей: природной газоносности Х, газопроницаемости к, показателя диффузии q(t) мощности
пласта т, величины горного давления СТк и, в общем виде, может быть представлен как:
А = ДХ, к, q(t), т, СТк) (4)
Газоносность угольных пластов Х и их мощность т определяются стандартными методами по геологоразведочным данным. Напряженное состояние участков угольных пластов стк определяется качественно (зоны разгрузки, зоны повышенных напряжений) методами тектонофизики и геодинамики.
Методы определения газопроницаемости к и показателя диффузии q(t) изложены выше.
Предлагается подразделить угольные пласты на три класса по способности к газоотдаче (табл. 2).
Таблица 2
КЛАССИФИКАЦИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПО СПОСОБНОСТИ К ГАЗООТДАЧЕ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ ТЕКТОНИЧЕСКОЙ НАРУШЕННОСТИ, ПРОЧНОСТИ И ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ
Показатель I тип Угли высокой способности к газоотдаче II тип Угли средней способности к газоотдаче III тип Угли низкой способности к газоотдаче
Степень тектонической нарушенности I II Ш-ГУ
Показатель прочности по кавернометрии, Дк > 0,85 0,85-0,70 < 0,70
Показатель прочности по прочностномеру П-1, q > 83 83-73 < 73
Коэффициент трещинной газопроницаемости, кт, мД > 16,7 16,7-6,0 < 6,0
Коэффициент фактической (природной) газопроницаемости, к (к=кт/100), мД > 0,17 0,17-0,06 < 0,06
Таблица 1
№ пробы Пласт R104, см D1012, см2/с l(t)
t = 106 с t = 5105 с
1 XXVI 22,4 86,0 0,91 0,76
2 XXVI 12,5 17,З 0,81 0,66
З Двойной Промежуточный 19,4 44,2 0,8З 0,67
4 Двойной Промежуточный 9,1 1З,9 0,90 0,75
5 XXI 19,6 4З,1 0,82 0,66
6 XXI З,1 1,8 0,92 0,78
7 XXI 21,1 82,З 0,92 0,78
8 XXI 4,З 4,4 0,96 0,8З
Средние по пласту диффузионно-кинетические характеристики:
Двойной Промежуточный 12,7 22,8 0,87 0,71
XXI 20,З 48,1 0,8З 0,67
СХЕМА ВЫБОРА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА
Физической основой классификации является экспериментально установленная взаимосвязь показателей прочности, трещиноватости и газопроницаемости углей различных степеней тектонической нарущенно-сти.
В соответствии с разработанной методикой предлагается следующая схема выбора угольных пластов, перспективных для извлечения метана.
Задачей дальнейших исследований является проведение промышленных испытаний разработанного метода оценки метаноотдающих способностей
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фейт Г.Н., Малинникова О.Н. Гео-лого-физические критерии прогноза перспективности дегазации угольных пластов для промышленного извлечения метана. Горн. Инф.-аналитич. бюлл. - Вып.5. М.: МГГУ. - 2001. - С.80-84.
2. Пучков Л.А. Современные проблемы угольного метана. Горн. Инф.-аналитич. бюлл. - Вып.6. М.: МГГУ. - 1997. - С.3-16.
3. Ходот В.В., Яновская М.Ф., Пре-мыслер Ю.С. Газовыделение из угля при
его разрушении. - ФТПРПИ. - 1966. - № 6.
4. Физико-химия газодинамических явлений в шахтах. М., «Наука», 1972, 140 с.
5. Иванов Б.М., Фейт Г.Н., Яновская М.Ф. Механические и физико-химические свойства углей выбросоопасных пластов. М., «Наука», 1979, 195 с.
6. Ковалева И.Б., Соловьева Е.А. К вопросу о взаимосвязи диффузнокинетических параметров угля с динамикой газовыделения из пластов/ Горн. Инф.-
аналитич. бюлл. - Вып.7. М.: МГГУ. -1999. - С.75-78.
7. Бобин В.А. К вопросу об оценке способности высокогазоносных угольных пластов к газоотдаче с учетом их макроструктуры и особенностей залегания/ Горн. Инф.-аналитич. бюлл. - Вып.5. М.: МГГУ. - 2001. - С. 108-112.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Фейт Г.Н. — доктор технических наук, ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского. Малинникова О.Н. — — кандидат технических наук, ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского. Гурьянов В.В. — доктор технических наук, ИПКОН РАН.
Матвеенко Н.Г. — доктор технических наук, ИПКОН РАН.
