Вибрационное воздействие на угольный пласт через скважину с поверхности Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Московский государственный горный университет

ДЕГАЗАЦИЯ.

ДОБЫЧА

МЕ

а:

НА

© В.Г. Вильке, М.В. Павленко, !

УДК 622.817.9:661.184.35

В.Г. Вильке, М.В. Павленко

ВИБРАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА УГОЛЬНЫЙ ПДАСТ.НЕЕЕЗ.СКВАЖИНУ.СДОВЕВХШСШ.

В

недрение текучего в пласт в процессе гидровоздеиствия через скважину с дневной поверхности, рассматривалось одной из важных стадий заблаговременной подготовки месторождения к безопасной и эффективной выемки. Давление создаваемое через скважину гидрорасчленения в процессе воздействия, превышает сопротивление фильтрующих трещин и пор угольного пласта, представляющего собой трещиновато-пористую среду. Изменяя режимы движения жидкости по раскрытым трещинам достигается увеличение зияния трещин, а при увеличении времени воздействия процесс гидрорасчленения реализуется и в поровом пространстве. Угольный пласт разделен трещинами на отдельные блоки, в них содержится преимущественно адсорбированный газ.

Дебит газа из скважин гирорасчленения при этом будет определяться проницаемостью трещин и скоростью газоот-дачи блоков.

Однако, после проведенного гидровоздействия для повышения эффективности дегазации и усиления процессов десорбции газа из трещино-порового пространства возможно применение метода вибровоздействия, способствующего созданию дополнительной системы трещин и многократного увеличения метаноотдачи путем повышения проницаемости пласта. Это возможно путем воздействия на систему "уголь-метан” волновых полей, что в конечном итоге приводит к разделению газовой и твердой фаз системы и к увеличению метаноотдачи.

Предлагаемый метод вибрационного воздействия может быть использован для возбуждения

стоячих волн в скважине с целью передачи энергии в угольный пласт и высвобождения из пористой структуры угля метана. Ниже описывается механическая модель, позволяющая оценить параметры стоячих волн в скважине гидрорасчленения и энергию воздействия на пласт. Скважина гидрорасчленения, заполненная практически не сжимаемой жидко-

стью, может быть представлена в виде упругого стержня, нижний конец которого связан с жёстким основанием (угольным пластом) пружиной, а к верхнему концу приложена периодическая сила Ре1Ш‘ (в дальнейшем нас будет интересовать действительная часть этого выражения, а именно Р ам<М), где Р и <в постоянные (рис.1).

Уравнения продольных колебаний при этом в вертикальной скважине имеют вид:

р и = Е F и + рд; — и и, = ^:

дt дS2

(1)

здесь р - линейная плотность материала стержня, в нашем случае рассматривается заполненная в скважине жидкость ( массы единицы длины ), Е - модуль упругости, S- площадь поперечного сечения скважины, g - ускорение свободного падения, Ц^, ^ - продольное перемещение сечения стержня с координатой S.

Уравнение (1) дополняется граничными условиями:

EF и' (1,^ + си(1,^=0, EF и' (оД) = -р е1Ш1 ;

(2)

Решение уравнения (1) с граничными условиями (2) будем искать в виде:

U(S,t) _-^ + ^2 + EFq^ + V(S,t);

6а2 6а

2а

2

a2 = EF / р ; (3)

где функция v(s,t) удовлетворяет волновому уравнению

v' = а 2 v" (4)

и граничным условиям:

Р C

V(0,t) =--------*еш; V'(l,t) +------------------G>(l,t) = 0 (5)

EF EF

Так как в системе (жидкость в скважине) присутствует вязкое трение, которое, впрочем, требуется учитывать в рассматриваемой модели, при этом собственные колебания в стержне затухнут, и, в дальнейшем, нас будут интересовать вынужденные колебания стержня “жидкости в скважине” с частотой ю, сообщаемой виброустановкой, установленной на устье скважины, которые имеют вид:

V(S,t)=/ (S)eiMt ; (6)

Подставляя уравнение (6) в (4), найдём:

-ю2/ = a2 f '; и f= Ci cos ю/а s + C2 sin ю/а s;

Произвольные постоянные С1 и С2 определим из граничных условий (5):

C2 ю/а = - P / EF ^ C2 = - Ра/ юEF ;

ю ю 1 Ра ю

- Ci — sin—l---------cos—l +

1 EF

а

а

а

+

c

EF

^ ю , Ра ю ,

Ci cos—l-----------sin—l

а юEF а

Г орный информационно-аналитический бюллетень

Р ю , С Ра ю ,

соя—і н---------------sm—і

EF а EF юEF а

С ю , ю ю ,

----соя—і sm — і

EF а а а

(7)

Коэффициент С1 может обращаться в бесконечность, если знаменатель соответствующего выражения в (7) обратится в нуль. Это есть условие резонанса и описывается уравнением, которое имеет вид:

ю , ю , с1

—па—I _-------- ;

а а EF

Уравнение(8) имеет корни хк=а- 1юк К=1,2,. представлены на рис.2:

Таким образом, решение задачи представляется

(8)

., которые

в виде (3), где:

Л®1

V(S,t) = /(Б)соя юґ =

_Р_

EF

СОБюґ

ю , СОя — I + а

С_

EFю

ю

яіп—і а

С ю , ю ю

---соя—і-----яіп—I

EF а а а

ю 0 а ю 0 соя—Б-----яіп—Б

(9)

Давление в нижней части стержня при s = 1 будет иметь следующие значения:

Q _ Си(и) _-Еи’(1^) _ +

F

+ -

РС

EF2

1 +

С

EFю

ю

I

а

С

EF

ю

і

2а

і

а

2

(10)

соя юґ

ю

соя—і а

ю

а а

Зависимость (10) позволяет оценить величину давления в процессе вибровоздействия в нижней части скважины, заполненной жидкостью гидрорасчленения, если произвести выбор значений соответствующих параметров.

Согласно вышеизложенному положению, в нижней части скважины создаются условия резонанса и передачи энергии вибрации на угольный массив, где в свою очередь, происходят внутриструктурные деформации и разрушения. При этом все это, в конечном итоге, приводит к распаду системы “уголь-метан” и создаются условия для перехода метана в свободное состояние, после чего он удаляется средствами дегазации.

В резонансном решении амплитуда давления (коэффициент при ом может быть значительно больше своего статического значения 2 / 2F , однако, для её оценки требуется знать характеристики вязкости жидкости в скважине, так как именно они будут определять величину этой амплитуды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Бутенин Н.В. Теория колебаний. М., Из- во “Высшая шко-ла”,1963.

2.Эттингер И.Л. Газоемкость ископаемых углей. -М., Не-дра,1966.

ю

а

а

т

г

Вильке Владимир Георгиевич - доктор технических наук профессор МГУ. Павленко Михаил Васильевич -кандидат технических наук, доцент, МГГУ.

- 79