CC BY
10
УДК 622.235
РАЗРАБОТКА СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА СИСТЕМУ «УГОЛЬ - МЕТАН»
Михаил Николаевич Цупов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, ведущий инженер НИЦ, тел. (383)217-05-22, e-mail: lion_ltd@ngs.ru
Андрей Владимирович Савченко
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, зав. НИЦ, тел. (383)217-01-26, e-mail: sav@eml.ru
Рассмотрены способы дегазации угольного пласта. Разработан стенд для определения оптимальных параметров физических воздействий на угольный керн с целью его дегазации.
Ключевые слова: способы дегазации, стенд, фильтрация, физические воздействия.
TEST BENCH TO STUDY PHYSICAL FIELD EFFECTS ON COAL-METHANE SYSTEM
Mikhail N. Tsupov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Principal Engineer, Research and Development Center, tel. (383)217-05-22, e-mail: lion_ltd@ngs.ru
Andrei V. Savchenko
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Head of Research and Development Center, tel. (383)217-01-26, e-mail: sav@eml.ru
The paper discusses techniques for methane drainage from a coalbed. The authors have developed a test bench to determine optimal parameters of physical effects on a coal core specimen to remove methane from it.
Key words: methane drainage techniques, test bench, filtration, physical effects.
Мировая промышленность и энергетический комплекс потребляют все больше углеводородов, поэтому добывающие компании наращивают объемы добычи нефти, угля и газа. Месторождения нефти значительно истощены и требуют новых подходов в добыче. Разработка угольных месторождений связана с повышенной опасностью для работников шахт и карьеров. В процессе использования угля происходит выделение вредных веществ, которые опасны для окружающей среды и для жизнедеятельности человека. Развитые мировые страны переходят на более чистый вид топлива -природный газ, но разрабатываемые газовые месторождения не могут обеспечить полную потребность человечества в этом виде полезного ископаемого. Эта проблема заставила по-новому взглянуть на такой ресурс как углеметан. Еще 20 лет назад метан угольных пластов рассматривался как осложняющий фактор при добыче угля, а в настоящее время большинство стран добывают и используют этот попутный газ. В Кемеровской области на Талдинском месторождении добычей метана, начиная с 2003 года по настоящее время, занимается ООО «Газпром добыча Кузнецк», - дочерняя компания ОАО «Газпром». С начала эксплуатации месторождения ей было добыто более20 млн м3 газа [1].
Добыча углеметана на месторождении, а также при дегазации шахты, осложнена сорбированием его вмещающей породой - углем. Несмотря на хрупкость и пористость угля, принято считать, что он отдает лишь от 10 до 30% содержащегося в нем углеметана [2,3], а остальное количество газа, по мнению групп исследователей, может находится в связанном, растворенном или другом состоянии.
Предложены и испытаны множество способов увеличения дебита метана, большая часть из которых пришла из хорошо изученных и применяемых на нефтяных месторождениях. Наибольшее практическое применение при добыче углеметана нашел метод гидроразрыва пласта. Несмотря на все преимущества этого метода, проявленные на нефтяных промыслах, и хороший коэффициент полезного действия при добыче углеметана, данная технология предусматривает разрушение пласта в области воздействия, что может существенно затруднить дальнейшею отработку забойного участка или сделать добычу вовсе невозможной.
Решением вопросов улучшения проницаемости пластов и увеличением дебита газа занимаются во всем мире. Предлагается множество решений, экспериментально опробованных на практике: от применения волновых воздействий на продуктивный пласт, до крайне радикального - ядерного взрыва, апробированного в США в декабре 1967 года для улучшения коллекторских свойств сланца при добыче газа[4-9].
Рассмотрим некоторые методы воздействия на угольный массив, проверенные на практике:
• Волновые методы. Основаны на воздействии на массив вмещающих пород волнами различной длинны, амплитуды и интенсивности излучения. К волновым можно отнести: акустический, ультразвуковой и сейсмический методы. Например, работы по сейсмическому воздействию проводились на шахте «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» через скважину № 4447 при гидрорасчленении пласта угля. Подтверждено увеличение приемистости пласта и его снижение в течение 72 часов после окончания воздействия [10].
• Депрессионные методы. Основаны на создании перепада давлений в скважине (сетке соседних скважин). К ним можно отнести: гидроимпульсный, депрессионный и бароградиентный методы. На участке ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько» в скважине Д-5 для восстановления дебита метана проведено 10 циклов, при которых в скважину закачивался воздух под давлением до 7МПа, а потом давление резко сбрасывалось. В результате зафиксирован рост метановыделения на 8% [11].
• Разрушение пласта. Основано на образовании дополнительных свободных поверхностей в продуктивном пласте. Разрушение производят гидравлическим разрывом, гидрорасчленением, кавитацией.
• Метод воздействия электрическим током. Основан на воздействии электромагнитным полем на породу и содержащийся в ней флюид. На ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько», Украина, проведены испытания по воздействию электрическим током, мощность источника составляла 30 кВт, а частота 0,2 Гц[11].
• Термический метод. Заключается в температурном воздействии на продуктивный пласт.
Все вышеперечисленные методы и эффекты от их применения к системе уголь-метан недостаточно изучены. После проверки в лабораторных или натурных условиях большинство из них, в силу ряда причин, не нашли широкого применения на практике. Режимы применения и методики также недостаточно проработаны. Комплексным исследованиям с целью дегазации в системе уголь-метан с применением всех выше-
описанных методов уделяется недостаточно внимания. Для более глубокого, комплексного исследования проблем дегазации углей создан специальный стенд, некоторые элементы конструкции которого представлены на рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид камеры и стенда:
а) внешний вид камеры; б) стенд: 1-каркас для размещения аппаратуры и камеры, 2-камера, 3 -компрессор, 4 шкаф электроники, 5 монитор визуального контроля
систем, 6-ПК, 7-ИБП
Конструкция стенда включает в себя: камеру для испытаний высокого давления, гидравлическую, механическую, пневматическую, измерительную, электромеханическую системы.
Гидравлическая схема обеспечивает трехосное нагружение образца (рис. 2).
Рис. 2. Различные способы моделирования пластовых условий: а) моделирование состояния нетронутого массива; б) моделирование забоя
Система осевого нагружения обеспечивает давление на торцах образца независимо друг от друга. В ее состав входят: поршни, упорные втулки, пресс, система регулируемых клапанов, нагнетательная станция, пневмогидро аккумулятор, манометры.
Пневматическая схема предназначена для обеспечения разницы давлений между нагнетательной и выходной гранями образца вдоль направления фильтрации в керне, а также для депрессионного и химического воздействия на образец. В ее состав входят: пневмогидро аккумулятор, вакуумная станция, регулирующие клапана, манометры, дозаторы.
Измерительная система предназначена для контроля и регистрации параметров физических полей, воздействующих на керн в ходе проведения экспериментов. Она включает в себя датчики: давления, химического состава газовых сред в фильтрационном потоке, сейсмодатчики, температуры на торцах и вдоль керна, а так же температуры воздуха в окружающей среде. Для регистрации сигналов используются: осциллограф HANDYSCOPE Ш4 DIFF, АЦП ZET-220, персональный компьютер (ПК).
Электромеханическая схема предназначена для обеспечения возможности воздействия на образец различными физическими полями: электрическим, магнитным, сейсмическим, ультразвуковым, акустическим и другими. Она включает в себя: генератор частоты электрического поля, электроды, электромагниты, регулирующие клапана, систему переменного нагружения гидро- (пневмо-) системы, источник гармонических колебаний, источники акустических волн, источник ультразвуковых волн, АЦП, ПК. На рис. 3 приведены направления распространения сейсмических и электромагнитных волн, размещение тепловых источников, электродов для электровоздействия на образец, а также форсунок для подачи химического реагента.
Рис. 3. Схема расположения различных источников на границах керна
Исследуемый керн помещается в резиновую оболочку, предварительно установленную в корпус лабораторной камеры, после чего монтируются торцевые поршневые зажимы с крышками. В пространство между керном и внешней оболочкой камеры под давлением подается рабочая жидкость для моделирования пластового давления. Создаваемое компрессором давление жидкости регулируется и поддерживается на одном уровне системой регулируемых клапанов. Система стенда предусматривает возможность пневмонагружения обжима образца. Одновременно в камере осуществляется торцевое нагружение образца одним из способов: резьбовыми втулками (при малых давлениях) или прессом (при больших давлениях). Давление жидкости, оказываемое на торцы образца, может быть различным и изменяться от нескольких Па (ва-куумирование) до 45 МПа. Следует отметить, что средняя глубина залегания угля, например, в кузнецком бассейне 300 метров.
Стенд позволяет производить исследования воздействия на керн диаметром до 65мм и длинной до 130мм:
• Электрическим током. Для этого с торцов к образцу подводятся электроды, соединенные через гермовводы с генератором тока, позволяющим изменять как частоту, так и напряжение подаваемого на электроды.
• Гармоническими колебаниями (импульсными или знакопеременными). Для этого на торцевые зажимы установки устанавливают источник колебаний. Радиальное волновое воздействие обеспечивается клапанами и достигается за счет пульсации давления в пространстве между керном и внешней оболочкой камеры. Предусмотрена возможность установки источника гармонических колебаний с регулируемой частотой вращения непосредственно в исследуемый образец или на один из торцов, сохраняя возможность торцевого нагружения.
• Тепловым воздействием. Осуществляется подогревом рабочей жидкости радиального нагружения, поршней и фильтрационной смеси. Для контроля температурного режима на стенде, а также окружающей среды, установлены термодатчики. Их регулировка осуществляется автоматически через АЦП и ПК.
• Магнитным воздействием. Для этого на торцах керна устанавливаются электромагниты.
• Депрессионное воздействие. Осуществляется за счет вакуумирования или создания высокого давления на выходном торце керна. Для управления данным воздействием в фильтрационных каналах камеры установлены датчики давления, вакуумный насос и компрессор.
Исследование химического воздействия на систему метан-уголь, а также возможность дегазации метана из керна осуществляется через каналы, подводящие к торцам камеры. Эффективность воздействия оценивается по изменению состава газовой смеси на входе и выходе из керна при фильтрации инертным газом или жидкостью.
Заключение. Проведенный обзор литературных источников по дегазации угольных пластов показал, что вопрос по комплексному воздействию различных физических полей на систему метан-уголь изучен недостаточно полно и требуется проведение дополнительных исследований. Для более глубокого изучения метода дегазации угля в зависимости от горногеологических условий месторождения, в Институте горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН создается специализированный стенд, на котором можно моделировать как состояние нетронутого массива, так и забоя, приближая условия среды к пластовым: по давлению, температуре, влажности образца. Конструкцией стенда предусмотрена возможность воздействовать различными физическими полями, как по отдельности, так и в комплексе, на образцы угля различных марок с целью их дегазации без разрушения керна.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сайт Газпрома. Режим доступа: http://kuznetsk-dobycha.gazprom.ru/about/today/
2. Сторонский Н.М. Нетрадиционные ресурсы метана угленосных толщ / Н.М. Сторон-ский, В.Т. Хрюкин, Д.В. Митронов, Е.В. Швачко // Рос. хим. ж. 2008. Т. Ш, № 6. - С 63-72.
3. Алексеев А.Д. Метан угольных пластов. Формы нахождения и проблемы извлечения // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. -Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. -Вып. 87. - С. 10-15.
4. Рахматуллин Х.А., Демьянов Ю.А. Прочность при интенсивных кратковременных нагрузках // М.: Физматгиз, 1961. - 400 с.
5. Web-ресурс. Режим доступа: http://neftegaz.ru/tech_Hbrary/view/4421-Gidravlicheskiy-razryv-plasta-GRP
6. Пучков Л.А. Извлечение метана из угольных пластов / Л.А. Пучков, С.В. Сластунов, К.С. Коликов // - М.: МГГУ. 2002. - С. 383.
7. Шльонзак Н., Шльонзак Я. Дегазация угольных пластов и использование метана на польских каменноугольных шахтах // Компрессорное и энергетическое машиностроение/ №1 март 2011г. - С. 8-14.
8. Дуган Т., Арнольд Э. GAS! Страницы истории добычи угольного метана в бассейне Сан-Хуан // - М.: GBM Pfrtners 2008. - С. 186.
9. Клишин В.И. Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений / В.И. Клишин, Л.В. Зворыгин, A.B. Лебедев, А.В. Савченко // СО РАН, Ин-т горного дела. - Новосибирск: Новосибирский писатель, 2011. - 524 с.
10. Павленко М.В. Дегазация угольных пластов с использованием наземных сейсмо-источников / М.В. Павленко, С.В. Гурьев, Г.П. Лопухов, А.А. Юров // Известия вузов. Горный журнал. № 1. 2015. - С. 42-46.
11. Филимонов П.Е. Повышение эффективности поверхностных дегазационных скважин с применением пневмогидродинамического и электроразрывного воздействий / П.Е. Филимонов, Б.В. Бокий, В.В. Чередникова и [др.]. // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. - Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. - С. 7-18.
© М. Н. Цупов, А. В. Савченко, 2017
