Совершенствование технологии гидравлического расчленения для повышения безопасности горных работ и снижения выбросов парниковых газов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

произвели 26 июля при совместной работе кислотного агрегата и агрегата УН-1 630/700, что позволило сократить время нагнетания порции соляной кислоты до 40-50 мин. После каждого из циклов в скважину было подано по 1,5-2 м3 воды. Всего в скважину закачано 15 т соляной кислот при давлении около 4 МПа.

2.2. Закачка раствора соды. Приготовление содового раствора выполнено в емкости объемом 24 м3. Общее количество соды соответствовало проекту и составило 10 т. Подачу раствора соды в став осуществляли двумя кислотными агрегатами, а закачку раствора соды в скважину ГРП-30 производили при одновременной работе 7-8 агрегатов УН-1 630/700. Температурные характеристики раствора соды соответствовали проектным (Т = 32-34 °С). После раствора соды в скважину без перерыва было дополнительно подано 1000 м3 воды. При темпе закачки 96-84 л/с, максимальная концентрация раствора соды составляла 300 г/л, а давление на устье скважины в процессе его закачки составляло 20,0 МПа. При переходе к закачке воды и тех же темпах давление на устье скважины снизилось до 15,0 МПа.

Взаимосвязь темпа нагнетания рабочих агентов и давления на устье скважины иллюстрирует рис. 1. Расчеты показывают, что при концентрации раствора закачиваемой соды пищевой 300 г/л и темпе закачки 80 л/с, темп выделения СО2 непосредственно внутри раскрываемых в периферийной части зоны воздействия трещин составит 6400 л/с, что при давлении агентов в расчленяемом массиве в 20 МПа составит 32 л/с сжатого газа. Общее количество углекислого газа, образовавшегося в процессе реакции соды с соляной кислотой оценивается в 2670 м3. При фактических параметрах нагнетания раствора соды в скважину ГРП-30, реальный максимальный темп внедре-

Рис. 2. Дебит метана из скважин ГРП

ния рабочих агентов в угольный массив составил 128 л/с, а средний темп их внедрения в течение 30-50 минут составил около 102-110 л/с. После окончания процесса скважина была оставлена закрытой до падения давления до уровня 2 МПа, а спустя один месяц было начато освоение сформированного техногенного коллектора с откачкой рабочей жидкости станком-качалкой.

В отличие от других скважин гидрорасчленения с самого начала освоения на скважине ГРП-30 наблюдается высокий пульсирующий дебит метана, в среднем составляющий 0,55-0,70 м3/мин (рис. 2).

Достигнутая на скважине ГРП-30 эффективность извлечения метана из техногенного коллектора, сформированного при гидрорасчленении угольного пласта вспенивающимся раствором, позволяет рекомендовать этот способ как один из базовых вариантов технологий заблаговременной дегазационной подготовки разрабатываемых и добычи метана из неразрабатываемых угольных пластов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Предварительный патент РК №11340. Способ дегазации и добычи метана из угольного пласта / М.В.Шмидт, С.В.Сластунов, К.С. Коликов - Опубл. в бюл.№3, 2002 г.

__ Коротко об авторах

Сластунов Сергей Викторович - профессор, доктор технических наук, проректор по научной работе, Коликов Константин Сергеевич — доктор технических наук, доцент,

Московский государственный горный университет.

Шмидт М.В. — кандидат технических наук, НТЦ «Комир».

^ © В. А. Сысенко, 2004

УДК 622.234.5

В.А. Сысенко

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ / Л1Ы ТЕХНОЛОГИИ

КП ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАС-

Кр — Д|Г(1 ЧЛЕНЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ

------- БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ

ко . РАБОТ И СНИЖЕНИЯ

_______________ ^ ВЫБРОСОВ ПАРНИКОВЫХ

Семинар № 5

Кэффициент фильтрации К(Р) ----------------------------

~П современных условиях подземной разработки угольных месторождений с высокой концентрацией и интенсификацией работ главные опасности связаны со взрывами газа и газодинамическими явлениями.

Вопросы экологии являются только одной из составляющих проблемы угольного метана, которая включает также вопросы безопасности и использования. Все они тесно связаны между собой. Например, вопросы снижения выбросов решаются путем разработки способов и средств утилизации метана, который выделяется в процессе разработки угля. В свою очередь это связано с проблемой извлечения метана, и, следовательно, с обеспечением безопасности горных работ.

Учитывая то, что угольные месторождения России содержат до 80 трлн м3 метана, необходимо научиться получать экономический эффект от его использования.

Комплексное решение обеспечивается при заблаговременном извлечении метана из неразгруженных пластов. В этом случае решаются вопросы безопасности горных работ и создаются условия для эффективной утилизации метана, при значительном расширении возможных направлений за счет высоких кондиций получаемого газа.

Заблаговременная дегазация угольных пластов позволяет достичь нагрузки на лаву до 5 и более тысяч тонн в сутки. Кроме того, развитие системы торговли квотами на выбросы парниковых газов повысит экономическую эффективность экологических проектов по сокращению эмиссии метана.

В качестве базового воздействия при заблаговременной дегазации угленосного массива через скважины с поверхности является гидравлическое расчленение угольных пластов (ГРП).

Сущность технологии гидрорасчленения заключается в закачке рабочей жидкости в пласт через скважины с темпом, превышающим естественную приемистость пласта и обеспечивающим раскрытие, расширение и соединение пластовых трещин.

Для достижения максимальной зоны гидрорасчленения угольных пластов необходимо теоретическое исследование процесса ГРП. Другими словами, при заданном темпе закачки воды в скважину необходимо определить распределение давления в угольном пласте и определить окрестность, в которой произошло гидрорасчленение.

Для решения этой задачи впервые построена математическая модель процесса фильтрации в повреждаемых пористых анизотропных средах, которую можно применить для описания процесса ГРП. Гипотезы, допущения и априорная информация о протекании процесса гидрорасчленения, на основе которой построена модель, приведены ниже.

На основе проведенных экспериментов имеется следующая априорная информация о процессе гидрорасчленения:

1. Угольный пласт незначительно анизотропен, т. е. коэффициенты фильтрации по разным направлениям мало различаются.

2. Коэффициент фильтрации угольного пласта является существенно нелинейной функцией давления. При достижении некоторого критического давления и разрыве микротрещин он скачкообразно возрастает. Кроме того, учитывается гестерезис, т. е. при уменьшении давления после раскрытия трещин коэффициент фильтрации линейно убывает с наклоном Л1£а2. График зависимости коэффициента фильтрации от давления представлен на рисунке.

3. При давлении порядка 100 атм зависимость плотности воды от давления:

Р = Ро [ + въ (Р _ р) ]= -о5

Па.

= П + Д (Р - Р).

4. Зависимость пористости от давления запишется аналогично:

П = п0

5. Угольный пласт имеет постоянную толщину.

6. Потери воды в кровлю и почву линейно зависят от давления.

7. Параметры, описывающие процесс, не зависят от вертикальной координаты 7.

Для построения модели выдвигается гипотеза о том, что в порах пласта давление равно нулю и поэтому в процессе фильтрации воды в угольном пласте выделяются два различных процесса.

Первый, когда вода частично заполнила поровое пространство. В этом случае имеет место безнапорная фильтрация.

Второй, когда вода полностью заполнила поровое пространство угля. В данном случае имеет место напорная фильтрация.

Процесс фильтрации воды в угольном пласте описывается следующими основными физическими законами:

1. уравнение неразрывности:

- в случае напорной фильтрации:

д(р¥хИ) д(р¥уИ )= д(прИ)

-------------1-----------=--------------.

дх ду дг

- в случае безнапорной фильтрации:

д(р¥хЪ) д(р¥уИ) = д(прЪ)

дх

ду

дt

где И(г) - высота столба жидкости в пласте,

И(г) < И.

2. закон Дарси для определения зависимости скорости воды от давления:

- в случае напорной фильтрации:

у = _ КхК(Р) дР , у = _ КуК(р) дР

Рё дх

Рё ду

в случае безнапорной фильтрации:

дИ

дх

дИ ду

Таким образом, учитывая изложенные выше соображения можно записать уравнение безнапорно-напорной фильтрации:

1 д ( дР Л дР

-—(• гК 2 (Р) —| + ^ (Р) = С (Р) — г дг V дг) дг

2п И К (Р)—

дг

Рё

Р|г=м = Р

P(г, 0| г=0 = Р

Здесь К2( Р) =

=т)

Ко Р

„ Р < рёИ РёИ ,

К(Р), Р > РёИ

С (Р) =

0.5/(Р), Р < РёИ /(Р), Р > РёИ

И

Р < РёИ,

( + пРъ )р> р > РёИ

£3(0 =—Q{t), Q(t) - расход воды, Кх и

V Кх

Ку - коэффициенты фильтрации по направлениям ОХ и ОУ.

Начальные условия для данной задачи будут нулевыми.

Граничными условиями являются расход воды и нулевое давление на бесконечности.

Будем решать эту задачу численно, используя безусловно устойчивую разностную схему. Для этого разработана программа расчета на ЭВМ, которая позволяет получить:

• распределение давления в пространстве в различные моменты времени;

• распределение давления во времени в заданной точке плоскости пласта;

Главная проблема при реализации построенной математической модели заключается в том, что значения параметров коэффициента переноса довольно сложно определить. Поэтому возникает необходимость решения обратной задачи гидрорасчленения угольного пласта для определения неизвестных значений параметров. Уточнять неизвестные параметры можно на основе экспериментальных данных, а именно на основе известного темпа закачки воды и соответствующего ему изменения давления на границе скважины во времени. При

г=г0

п

решении обратной задачи для оптимизации выбирается среднеквадратичное отклонение фактического и численного давления на границе скважины.

Необходимо найти такие параметры tga1,

tga2, Q, р, к0 и Кр, которые обеспечивали бы минимум функционала

5 (К,, Kp) =

= I|р - р(&а, іяа, Q, ркг, к0, кр)ї ^ тк

II II К 0,Кр

т

Здесь норма ||Р|| = ^Р)< , К0 -

0

коэффициент фильтрации до гидроразрыва (м/сут); Q - потери воды в кровлю и почву

(кг/м2*с); Р - давление, при котором происходит гидроразрыв (Па); Кр - коэффициент фильтрации, соответствующий критическому

давлению Ркг; tga1, tga2 - представлены

на рис. 1; Р (/) - экспериментально определенное изменение давления на границе скважины во времени;

Р (І , tga2 , Q , Рг , К0 ,Кр) - изменение давления на границе скважины, полученное численно с параметрами tg (а1), tg (а2),

Q , р , К0 и кр.

Таким образом, необходимо решить задачу минимизации функции Б( tga1, tga2,

Ркг , К0 ,Кр). Эта задача решается численно на

ЭВМ. В качестве исходных данных пользователь задает интервалы изменения параметров поиска. Также необходимо задать некоторые параметры пласта (глубина залегания, пористость, начальное давление в пласте и т.п.), расход воды и соответствующее ему изменение давления на границе скважины.

Полученные значения параметров коэффициента переноса можно использовать для решения прямой задачи.

В результате построения математических моделей прямой и обратной задачи ГРП можно создать следующую схему управления процессом гидрорасчленения:

1. На начальном этапе нагнетания воды в пласт (1-2 ч), используя полученные ре-

зультаты решения обратной задачи, можно получить параметры коэффициента переноса, представляющего собой сложную зависимость от локального давления в пласте.

2. Далее применим построенную модель процесса фильтрации применительно к процессу ГРП, используя найденные значения параметров коэффициента переноса. Таким образом, можно прогнозировать распределение давления в угольном пласте и зоны ГРП для заданного темпа закачки воды.

Следовательно, появляется возможность получить максимальный радиус зоны ГРП, выбирая темп закачки с учетом возможностей оборудования. Это важно как с точки зрения безопасности разработки угольного пласта, так и с экономической точки зрения.

Другое значение полученного результата состоит в возможности предсказания развития зоны ГРП. Это позволит спрогнозировать объем выделения метана из скважины. Можно установить такую последовательность и параметры гидравлической обработки скважин, при которой объем выделяемого метана будет постоянным.

В этом случае можно обеспечить бесперебойную работу потребителей угольного метана. При этом будет достигаться как экономический, так и экологический эффект.

Экологический эффект при промышленной переработке метановоздушных смесей достигается за счет:

• ликвидации выбросов в атмосферу парникового газа метана;

• сокращения выбросов двуокиси углерода и других загрязняющих веществ при замене угля в теплоэнергетике шахты на более экологичный метан;

• сокращения выбросов загрязняющих веществ и за счет автономного получения электрической энергии на газе.

Значительный экологический эффект достигается даже при обычной утилизации метана в факеле, т.к. обеспечивается существенное снижение выбросов парниковых газов. Так 1 т двуокиси углерода образуется при сжигании 512 м3 метана, которые при выбросе в атмосферу эквивалентны 7,16 т СО2. Следовательно, сжигание каждой 1000 м3 метана эквивалентно снижению выбросов СО2 на 12 т, т.е. при сжигании в факеле 10 м3/мин метана ежегодное снижение выбросов составит 63 тыс. т углеродного эквивалента.

Коротко об авторах

Сысенко Валентина Алексеевна — инженер, НПО «Машиностроение».

------------------------------------ © С.В. Сластунов, Г.Г. Каркашадзе,

К. С. Коликов, 2004

УДК 622.234.5

С.В. Сластунов, Г.Г. Каркашадзе, К. С. Коликов

ТЕХНОЛОГИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА В РЕЖИМЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРОВ НА СТАДИИ СВОБОДНОГО ИСТЕЧЕНИЯ ВОДЫ ИЗ СКВАЖИНЫ

Семинар № 5

етаноотдача угольных пластов и дебит газа в скважину весьма существенно зависят от проницаемости угля. Этим объясняется распространение технических решений, предусматривающих различные физические воздействия с целью развития трещиноватости угольного пласта и вытеснения метана. Рассмотрим изобретательские подходы к решению данной задачи с использованием эффекта механических колебаний. Преимуществом механических колебаний по сравнению с другими видами физических воздействий, является относительно низкие энергозатраты и простота технической реализации.

В а.с. СССР №983282 (приоритет 17.07.80, заявитель - Комплексный отдел Института горного дела Сибирского отделения АН СССР) дегазацию угольного пласта интенсифицируют за счет использования явления резонанса, при этом частоту колебаний источника выбирают равной собственной частоте колебаний молекул метана - 3,96-10пГц. Генератор СВЧ устанавливают со стороны выработанного пространства и обработку излучением ведут в пе-

риод отсутствия добычных работ. Предполагается, что под действием резонанса произойдет разрыв связей между молекулами метана и угля, что обеспечит беспрепятственную фильтрацию метана по угольному пласту.

В а.с. СССР №939784 (приоритет 01.09.80, заявитель - Карагандинское отделение Восточного научно-исследователь-ского института по безопасности горной промышленности), описан способ профилактической гидрообработки пласта, в соответствии с которым осуществляют чередование режимов: вначале осуществляют гидроразрыв до падения давления в скважине, затем - в гидроимпульсном режиме с частотой, близкой частоте собственных колебаний жидкости в скважине и в трещинах, до снижения приемистости пласта. Способ позволяет увеличить протяженность и повысить равномерность распределения трещин в угольном массиве. В качестве недостатка способа следует отметить сложность выявления резонансных частот колебаний жидкости в трещинах.

В а.с. СССР №1550174 (приоритет 16.08.88, заявитель - Институт горного дела им. А.А.