Влияние темпа нагнетания рабочей жидкости на интенсивность дезинтеграции при распространении трещин в процессе гидрообработки неразгруженного угольного пласта Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.86

Г.Г. Каркашадзе

ВЛИЯНИЕ ТЕМПА НАГНЕТАНИЯ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ТРЕЩИН В ПРОЦЕССЕ ГИДРООБРАБОТКИ НЕРАЗГРУЖЕННОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

В предыдущих наших работах [1, 2, 3] была описана теоретическая модель процесса гидравлической обработки угольного пласта. Эта модель описывает процесс распространения жидкости по пласту при переменном законе изменения расхода жидкости во времени и учитывает следующие закономерности:

1. уравнение фильтрации в виде закона Дарси (приближение для плоскопараллельного потока Дюпюи) с переменным коэффициентом фильтрации К;

2. зависимость коэффициента фильтрации от давления Р фильтрационного потока - К = К(Р), в том числе скачкообразный рост коэффициента фильтрации угольного пласта при гидроразрыве под давлением Ркр и дальнейшее увеличение или уменьшение коэффициента фильтрации при изменении давления жидкости;

3. гистерезис коэффициента фильтрации от действующего давления (остаточный коэффициент фильтрации после гидрообработки);

4. уравнение неразрывности потока;

5. различие коэффициентов фильтрации в двух взаимно перпендикулярных направлениях;

6. сжимаемость рабочего потока под гидравлическим давлением;

7. увеличение пористости угля под давлением жидкости внутри пор;

8. потери рабочей жидкости в породы почвы и кровли пласта, характеризуемые параметром д и отражающим отношение массы жидкости, фильтрующейся из пласта через единицу площади кровли (или почвы) в единицу времени, размерность - кг/(м2с).

Уравнения, отражающие описанные выше особенности выглядят так:

д_

дх

Кх ■ К2( Р)

дР Л д

- +-

дх) ду

дР Л дР

К у ■ К2( Р) — ^ Р (Р) = С (Р)

ду )

ді

(1)

-—Ап ■ ( к .уР)а=(ці)

р&1

Р1,..= Р0 Ру _,= Р

Р( х, у,1 )| |=0 = Ро

Коэффициент фильтрации К, различный во взаимно перпендикулярных направлениях х и у, имеет вид:

( Кх • К (Р) 0 >

К =

К2( Р) =

С (Р) =

ч о Ку ■ К (Р))

Приняты следующие обозначения:

Р - Ро ^Р§—

Ко Р

р^—

К(Р), Р - Ро >pgH 0.5/(Р), Р - Ро < pgH /(Р), Р - Ро >pgH

Р - Ро <PgH,

(2)

(3)

(4)

(5)

—

(с + Рь ) nоPg, Р - Ро > PgH

где Н - мощность пласта, м; р - плотность жидкости, кг/м3; д -ускорение свободного падения, м/с2; п- пористость угля, линейно зависящая от давления жидкости; п0 - начальная по-

ристость; Р0 - начальное давление в пласте, Па; рь - коэффициент сжимаемости жидкости, рь =4,5-10-10 Па-1; рс - показатель объемного расширения пор под давлением жидкости, вс=2,5-10-1° Па-1.

Основные теоретические положения данной задачи и особенности компьютерного моделирования достаточно полно изложены в работе [4]. Решение задачи по разработанной модели реализовано численным методом. Создана программа расчета, позволяющие осуществить компьютерное моделирование задачи нагнетания рабочей жидкости в угольный пласт при произвольно заданном законе изменения расхода жидкости О во времени /. Это задача с граничными условиями второго рода, когда на входе в пласт задан расход жидкости 0(0, л/сек. Программа расчета называется «01ЬгоО».

Принимая во внимание, что гидродинамические параметры К(Р) и д не могут быть найдены в лабораторных условиях или точно определены расчетным путем, нами использован принцип их вычисления на основе сопоставления теоретической модели и практического результата гидравлической обработки пласта. Обратная задача реализуется по программе расчета - «01Ьго!пуегзе», в которой, при известных значениях 0(0 и Р(§ для начального или полного участка гидрообработки пласта, в результате сопоставления аналитической модели и фактических результатов гидрообработки, по критерию наименьших квадратов отклонений теории и практики, определяют наиболее вероятные гидродинамические параметры, в том числе:

- начальный коэффициент фильтрации К0 пласта, до гидрообработки;

- критическое давление Ркр , при котором происходит резкий, скачкообразный рост коэффициента до величины Ккр, что по физическому смыслу соответствует давлению гидроразрыва;

- тангенс угла наклона в зависимости К(Р) на участке увеличения и уменьшения давления.

Таким образом, разработанная модель позволяет осуществлять прогноз эффективности гидрообработки на основе компьютерного моделирования. В данной работе мы поставили

задачу сравнить эффективность гидрообработки двух вариантов:

- первый, когда расход жидкости, подаваемый в скважину насосом, изменяется плавно в течение всего процесса гидрообработки;

- второй, когда расход жидкости изменятся импульсно, то есть интервалы повышенного расхода чередуются с интервалами прекращения подачи жидкости в скважину.

Вопрос, который представляет практический интерес заключается в следующем: в каком случае площадь зоны дезинтеграции будет больше, если объемы использованной жидкости и энергетические затраты в обоих случаях равны?

Такая постановка задачи вызвана тем, что если гидрообработка пластов производится с целью дегазации пласта и скорейшего извлечения метана из скважины, то объем воды должен быть минимален, а дезинтеграция пласта максимальна. Фактор закрепления трещин песком в процессе гидрообработки в данном случае не рассматривается, однако полученные результаты распространяются и на случай обработки пласта жидкостью с пропантом.

Вопрос оптимизации объема воды, используемой при гидрообработке, все еще находится в стадии обсуждения. Понятно, что большие объемы потребляемой воды обеспечивают необходимую степень безопасности при подземной разработке, сокращают выделение угольной пыли и дают возможность повышения нагрузки на очистной забой. В данном случае основной физический механизм достижения эффекта имеет место из-за увлажнения угля и блокирования водой каналов фильтрации метана. С другой стороны, малые объемы воды, при интенсивной дезинтеграции пласта, обеспечивают более эффективную дегазацию, а понижение содержания метана в угле уменьшает вероятность проявления опасных горных явлений в подземных условиях. Также очевидно, что второй путь является более экономичным с точки зрения минимизации потребления воды и энергетических затрат, особенного на стадии гидравлической обработки пласта. В тех же случаях, когда заказчиком поставлена задача добычи метана при дегазации некондиционных угольных пластов - вариант с малыми объемами воды, безусловно, более предпочтителен.

Нами выполнен расчет при следующих исходных данных:

- мощность пласта, 2 м;

- глубина залегания пласта, 500 м;

- пористость пласта в обычных условиях 0,015;

- отношение коэффициентов фильтрации во взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости пласта, 3;

- радиус скважины, 0,2 м;

Исходя из литературных источников нами принят во внимание следующий наиболее вероятный диапазон гидромеханических параметров пласта, представленный в таблице. Вероятный диапазон показателей угольного пласта

№ п/п Характеристика Диапазон значений

1 Вероятный диапазон начального коэффициента фильтрации угольного пласта, м/сут Ко = 0,01 ...0,15

2 Вероятный диапазон значений коэффициента фильтрации в момент появления трещины в результате гидравлического разрыва угля, м/сут .5 II

3 Вероятный диапазон критических давлений на устье скважины, при которых происходит гидравлический разрыв пласта на глубине 500 м, МПа Ркр=10...14

4 Вероятный диапазон значений интенсивности потерь воды в кровлю и почву, кг/(м2сек) Я < 0,03

5 Диапазон тангенса угла наклона( рисунок 1) в зависимости К=К(Р) на стадии роста давления, м/(сутПа) fga1 =(6,5...25,0) 10-8

6 Диапазон тангенса угла наклона в зависимости К=К(Р) на стадии падения давления (эффект гистерезиса, м/(сутПа, рисунок 1) fga2 =(2,5...5,0) 10-8

3

ГО

О

I—

_0

-В

-В

о

о

Давление жидкости в угольном пласте, МПа

Рис. 1. Зависимость коэффициента фильтрации угля в месте залегания пласта от давления рабочей жидкости: Ко = 0,11 м/сут - начальный коэффициент фильтрации угля; Кр = 3 м/сут, коэффициент фильтрации угля в момент гидроразрыва; Рф=17,5 МПа - критическое давление рабочей жидкости

-----В результате решения обратной задачи по программе

«01Ьго!пуегзе» определены следующие наиболее вероятные параметры, в том числе:

К0 = 0,11 м/сут;

Ккр = 3 м/сут;

Ркр = 12,5 МПа; д = - 0.02 кг/(м2сек); tga1 = 21,25-10-8 м/(сутПа); фа2 = 5,010-8 м/(сутПа).

На рис. 1 представлен вид зависимости коэффициента фильтрации при указанных параметрах. На графике указано значение Ркр = 12,5 + 5,0 = 17,5 МПа, учитывающее давление воды в угольном пласте с учетом глубины скважины 500 м.

На рис. 2 представлены два сравниваемых варианта:

а) первый, когда максимальный расход рабочей жидкости, равный 80 л/сек; после достижения максимального значения расход поддерживают постоянным;

б) второй, когда максимальный расход рабочей жидкости 160 л/сек чередуют с нулевым расходом.

Объемы рабочей жидкости в сравниваемых вариантах одинаковые и составляют 30 м3.

Первый технологический вариант является базовым -именно так производится типичная гидрообработка пласта.

Второй технологический вариант гидрообработки предполагает импульсную подачу жидкости, например с использованием одного насосного агрегата. Интервал времени прекращения нагнетания жидкости в скважину используют для аккумуляции гидравлической энергии и затем накопленную энергию потока реализуют путем его нагнетания в пласт с повышенным расходом. На практике такая реализация возможна с применением дополнительного нагнетательного насоса или гидравлического аккумулятора сжатой жидкости, выдерживающего давление до 50 МПа.

По программе 01ЬгоО выполнен расчет площади зоны дезинтеграции и распределения давления от оси скважины вдоль оси х, представленный на рис. 2. Видно, что во втором случае эффективность дезинтеграции существенно выше: в первом эквивалентный радиус эллипса (среднее геометрическое полу

276

О

ю

го

ю

о

о

О

ГО

.0

X

н

X

ф

ц

го

со

со

о

40

\ ч к \ Ч ч ч

£ ✓ / ✓ ✓ ✓ ✓ гґ

\ \ \ \ \ \ \ Ь

с ✓ ✓ ✓ 5

40

40

100

Я

160

160

Расход жидкости в угольном пласте, л/с

60

20

60

80

120

140

Рис. 3. Эквивалентный радиус гидрообработки в зависимости от расхода жидкости: Ко =0,5 м/сут; Кр =3 м/сут; Рф=14,1 МПа; д= -0,0045 кг/(м2*с); да1 = 5,510-8 м/(сутПа); fgа2 = 1.4-10- м/(сутПа)

осей эллипса) составляет 44,1 м, а во втором 69,7 м. На этом же рисунке представлены радиусы зоны гидравлической обработки вокруг скважины с учетом неравномерности фильтрационных свойств во взаимно перпендикулярных направлениях.

Таким образом, установлено, что импульсная гидравлическая обработка обеспечивает существенно большую площадь дезинтеграции. Технологический режим гидроимпульсной обработки пласта является более эффективным по критерию уменьшения энергозатраты и объема потребления рабочей жидкости. Это в свою очередь обеспечивает сокращение времени на откачку жидкости из скважины и увеличивает степень дегазации пласта.

Нами выполнено также исследование темпа закачки рабочей жидкости на радиус гидрообработки пласта пористостью 0,022, мощностью Н= 6.3 м, на глубине 422,5 м (рис. 3).

Установлено, что с увеличением расхода рабочей жидкости максимально возможный эквивалентный радиус гидрообработки линейно возрастает. При этом максимальный радиус гидрообработки зависит не объема закачанной жидкости, а от ее расхода (л/с). Получается так, что при фиксированном расходе воды радиус зоны гидрообработки постепенно достигает максимального значения и в дальнейшем его рост останавливается, несмотря на нагнетание жидкости в пласт. Это объясняется тем, что в какой то момент энергии гидравлического фильтрационного потока недостаточно для дальнейшего роста площади гидрообработки, и в этом случае объем нагнетаемой жидкости фильтруется не в радиальном направлении, а только в породы кровли и почвы.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С., Алексеева В.А. Разработка аналитической модели гидрорасчленения угольного пласта. - М.: ГИАБ, 2002, №6, С. 50-53.

2. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С. Аналитическая модель гидравлического расчленения угольного пласта. Журнал «Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых». Новосибирск, 2002г., №6.

3. The Development of Analytical Model for Hydraulic Treatment of Coal Bed and Determination of its Main Hydrodynamic Parameters/ 0531/ L.A. Puch-cov, S.V. Slastunov, G.G. Karkashadze and K.S. Kolilov (Moscow State Mining University, Russia). 2005 International Coalbed Methane Symposium/ TheUni-versity of Alabama, Tuscaloosa, Alabama.

4. Сысенко В.А. Снижение выбросов парниковых газов при разработке углегазовых месторождений на основе совершенствования технологии гидрорасчленения угольных пластов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. Специальность -25.00.36 «Геоэкология». М., 2005, 16 с.

і— Коротко об авторах------------------------------------

Каркашадзе Гиогргий Гоиголович - профессор, доктор технических наук, заместитель проректора по научной работе, Московский государственный горный университет.