CC BY
19
Коротко об авторок
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, КС. 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.
Скочинского) описан способ дегазации горного массива, в котором осуществляют гидроимпульсное воздействие на угольный пласт, при этом предварительно определяют скорость распространения звука и предел прочности пород массива на разрыв, а нагнетание жидкости осуществляют при скорости нарастания давления в жидкости пропорциональной квадрату скорости распространения звука в массиве. Таким образом, в способе используется информация о свойствах массива, на основе которой выбирается оптимальный режим импульсного воздействия.
В а.с. СССР №1657659 (приоритет
03.07.89г., авторы Морев A.M., B.C. Маевский, Ю.В. Деев и С.И. Никишин), описан способ дегазации угольного пласта, включающий бурение горизонтальной скважины в угольный пласт из подземной выработки и определение частот колебаний массива путем анализа акустической шумности. На основе акустической информации определяют резонансную частоту массива на каждом интервале. Скважину заполняют упруговязким материалом и возбуждают в угольном пласте колебания. Амплитуду колебаний достигают 0,5 от разрушающих. Воздействие осуществляют сначала в диапазоне частот от 60 до 1500 Гц, затем переходят на частоту собственных колебаний пласта в совокупности с бомбардировкой фактор резонанса, что позволяет наиболее экономично, с максимальным КПД осуществлять ввод энергии в массив.
В а.с. СССР №1723342 (приоритет 26.07.89, авторы - А.В. Бакулин и Ю.В. Шувалов) описан способ дегазации угольных пластов из подземных горных выработок, размещением в скважинах источников вибрационных воздействий в плоскости, параллельной линии действия минимального главного напряжения, при этом вибрационное воздействие осуществляют с частотой 60-120 Гц. В этом же способе в одни скважины нагнетают в пласт поверхностноактивные вещества, измеряют температуру в угольном пласте; затем, при температуре самовозгорания, из другой группы скважин нагнетают другую жидкость с щелочной реакцией.
В а.с. СССР №15555518 (приоритет
07.04.90, авторы: А.И. Бобров, К.К. Софийский, Л.А. Вайнштейн, B.C. Маевский и В.В. Репецкий) эффективность дегазации угольного пласта повышают путем периодического повышения давления до уровня предела прочности угля на отрыв и сброса давления до атмо-
сферного с выпуском разрушенного угля и отсосом газа, который осуществляют в течение 6 часов.
В патенте РФ №2024767 (приоритет
29.04.92, патентовладелец Н.Ф. Кусов), описан способ дегазации угольного пласта, предусматривающий бурение дегазационных скважин по разрабатываемому массиву из выработки и создание в скважинах разгружающе-дегазирующих трещин-щелей. Дегазационные скважины бурят в местах повышенных давлений, трещины-щели образуют встряхиванием массива из скважины в вертикальном направлении. Главная идея способа заключается в том, что в процессе встряхивания пласта молекулы свободного метана необратимо сорбируются в микропорах угля. После нескольких втряхиваний в пласт угля входит практически весь метан, находящийся в порах угля. При реализации данного процесса отпадает необходимость в дегазации угольного пласта, а добываемый уголь имеет повышенную теплотворную способность за счет сорбированного метана. Данная техническая разработка, в части возможности перевода свободного метана в связанное состояние, носит революционный характер. Однако с точки зрения практической реализации не ясно: какими техническими средствами, а также, с какой частотой и амплитудой необходимо осуществлять «встряхивание» угольного пласта. Во всяком случае, в известных технических решениях с реализацией процесса колебаний угольного пласта отмечается совершенно противоположный эффект, а именно - интенсификация дегазации.
В патенте РФ №2054121 (приоритет
29.04.92г., патентовладелец Зберовский В.В.), описан способ дегазации угольных пластов, в котором на первой стадии нагнетания воды в пласт используют режим гидроимпульсного воздействия в течение 7,5 часов путем периодического, с частотой 46 Гц, повышения и сброса давления воды до появления устойчивого выхода штыба угля. На второй, заключительной стадии, примерно в течение 6 часов после режима нагнетания воды, ведут равномерный сброс воды, угля и газа. При использовании способа повышается проницаемость угольного пласта и, соответственно, возрастает метанооотдача пласта. В то же время следует считаться с дополнительными расходом энергии на первой стадии гидрообработки, что несколько повышает затраты на процесс дегазации угольного пласта.
В патенте РФ №2152518 (приоритет
28.12.98, патентовладелец Национальный научный центр горного производства - ИГД им. А.А. Скочинского), описан способ дегазации надрабатываемой угленосной толщи, предусматривающий бурение двух серий перекрестно расположенных скважин. До начала разгрузки угленосной толщи в скважины первой серии нагнетают под давлением не менее 12 МПа энерговыделяющую систему, представляющую собой, например, смесь нитрата аммония, воды и глицерина. Нагнетание можно осуществлять в импульсном режиме с амплитудой в гидравлическом импульсе до 100 МПа. Энерговыделяющая смесь распространяется по трещинам угольного пласта и после инициирования выделяет тепловую энергию внутри пор и трещин. Эта технологическая операция позволяет интенсифицировать извлечение кондиционного метана. Несмотря на указанные преимущества, следует иметь в виду, что добавление химического реагента в угольную толщу может отрицательно отразиться на качестве добываемого угля, что недопустимо.
Несмотря на обширный объем известных технических решений, возможности совершенствования процесса гидрорасчленения далеко не исчерпаны и существуют резервы повышения эффективности и снижения энергетических затрат.
Следует обратить внимание на тот факт, что после завершения гидравлической обработки угольного пласта через скважины, пробуренные с поверхности, вода самопроизволь-
но изливается из скважины, по крайней мере, в течение 6 часов. Мощность гидравлического потока на стадии самоистечения воды из скважины составляет около 30% от мощности на стадии нагнетания, что является большим энергетическим резервом, который в известных технических решениях никак не используется. В то же время в технике хорошо известно явление гидроудара в трубах, который возникает при резком перекрытии истекающего потока жидкости. Возникающие при гидравлических ударах давления, как правило, превышают давления, в гидравлических системах.
Эта идея реализована в разработке авторов статьи, защищенная патентом РФ №2188322 (приоритет 07.09.2001., патентовладелец МГГУ). По предлагаемой технологии, после завершения работ с нагнетанием воды в пласт, а именно - на стадии самоизлива, осуществляют цикличный сброс воды из устья скважины путем резкого открытия и перекрытия заслонки. Длительность открытия и закрытия заслонки выбирают так, что бы ударная волна сжатия-растяжения совершила бы хотя бы одно колебательное движение от заслонки до границы зоны гидрообработки. Для реализации данной технологии в МГГУ разработано гидроударное устройство, обеспечивающее необходимые режимы воздействия. Простота технической реализации, энергосбережение, высокие амплитуды гидроударов являются существенными технико-экономи-ческими преимуществами предлагаемой технической разработки.
__ Коротко об авторок
Сластунов Сергей Викторович - профессор, доктор технических наук, проректор по научной работе, Каркашадзе Гиоргий Григолович — зам. проректора по научной работе,
Коликов Константин Сергеевич — доктор технических наук, доцент,
Московский государственный горный университет.
^ © Л.Г. Каркашадзе, 2004
УДК 622.234.5 Л.Г. Каркашадзе
РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГИДРОУДАРНОЙ ОБРАБОТКИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА НА СТАДИИ ИСТЕЧЕНИЯ ВОДЫ ИЗ СКВАЖИНЫ
Семинар № 5
