Научная статья на тему 'Заблаговременная дегазация угольных пластов с использованием импульсного гидродинамичекого воздействия в режиме гидрорасчленения'

Заблаговременная дегазация угольных пластов с использованием импульсного гидродинамичекого воздействия в режиме гидрорасчленения Текст научной статьи по специальности «Машиностроение»

CC BY
57
14
Поделиться
Ключевые слова
DEGASSING HYDRAULIC FRACTURING / ПРОНИЦАЕМОСТЬ / PERMEABILITY / ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ / HYDRODYNAMIC IMPACT / ЗАБЛАГОВРЕМЕННАЯ ДЕГАЗАЦИЯ / ГИДРОРАСЧЛЕНЕНИЕ

Аннотация научной статьи по машиностроению, автор научной работы — Коршунов Г.И., Ютяев Е.П., Серегин А.С., Афанасьев П.И., Курта Н.В.

Рассмотрен способ увеличения проницаемости угольного пласта импульсным гидрорасчленением при заблаговременной дегазации.

Похожие темы научных работ по машиностроению , автор научной работы — Коршунов Г.И., Ютяев Е.П., Серегин А.С., Афанасьев П.И., Курта Н.В.,

DEGASSING OF COAL SEAM BY PULSE HYDRAULIC FRACTURING

This article describes a method of increasing the permeability of the coal seam by pulse hydraulic fracturing.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Заблаговременная дегазация угольных пластов с использованием импульсного гидродинамичекого воздействия в режиме гидрорасчленения»

- © Г.И. Коршунов, Е.П. Ютяев,

A.C. Серегин, П.И. Афанасьев, И.В. Курта, 2013

Г.И. Коршунов, Е.П. Ютяев, А.С. Серегин, П.И. Афанасьев, И.В. Курта

ЗАБЛАГОВРЕМЕННАЯ ДЕГАЗАЦИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПУЛЬСНОГО ГИДРОДИНАМИЧЕКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В РЕЖИМЕ ГИДРОРАСЧЛЕНЕНИЯ

Рассмотрен способ увеличения проницаемости угольного пласта импульсным гидрорасчленением при заблаговременной дегазации.

Ключевые слова: заблаговременная дегазация, гидрорасчленение, проницаемость, гидродинамическое воздействие.

Л ля обеспечения безопасной угледобычи высокопроизводительными очистными забоями необходимо применение заблаговременной дегазации угольных пластов. На угольных месторождениях СНГ основной технологией увеличения газовой проницаемости угля является гидродинамическое воздействие в режиме гидрорасчленения. Гидрорасчленение угольного пласта — режим внедрения текучего с темпом нагнетания, превосходящим естественную приёмистость пласта, что сопровождается раскрытием и расширением существующих пластовых трещин [3].

Согласно экспериментальным данным, гидрорасчленение начинается при значении давления на забое скважины РН ~ 0,12 Н, кгс / см2, где Н — глубина залегания угольного пласта [3].

Эффективность гидрорасчленения определяется равномерностью обработки угольного пласта и геометрическими размерами зоны обработки. Качественная оценка результатов гидрорасчленения является определяется «остаточной» приемистостью скважин. Чем больше величина «гистерезиса приемистости», тем выше эффективность гидрорасчленения [1].

Гидровоздействие в режиме гидрорасчленения производится несколькими насосными агрегатами типа 4АН-700, подключенными к скважине через мани-фольд. В процессе гидрорасчленения изменяются гидравлические характеристики обрабатываемого угольного пласта, а вместе с ней и рабочая точка насосных агрегатов. Для поддержания режима гидрорасчленения необходимо постоянное увеличение темпа нагнетания. Вместе с темпом нагнетания меняется рабочее давление насосных агрегатов. На рис. 1 показаны графики изменения забойного давления в зависимости от темпа закачки.

Режим гидрорасчленения при гидравлической обработке угольного пласта достигается применением насосных агрегатов, позволяющих произвести обработку в течении нескольких часов. В отдельных случаях использование мощных насосных агрегатов позволяет осуществить гидравлическую обработку угольного пласта за короткий период времени, что делает экономически не выгодным проведение работ по заблаговременной дегазации. Таким образом, необходима технология, позволяющая произвести гидравлическую обработку неразгруженного угольного пласта в режиме гидрорасчленения без применения высокопроизводительных насосных агрегатов.

Основными критериями реализации режима гидрорасчленения при гидравлической обработке угольного пласта является поддержание темпа нагнетания в скважину выше приемистости пласта. При этом учет потерь на фильтрацию осуществляется по формуле [1]:

Чр.с = Чф + АЧф + Ч4щ + Чр ,

Рис. 1. Зависимость забойного давления от темпа закачки при гидрорасчленении угольных пластов на поле шахты им. Костенко, где 1-6 номера скважин [3]

где дф и Ацф — расходы жидкости на фильтрацию до и после начала гидрорасчленения; Цфч — расход жидкости на фильтрацию через стенки трещины; цр — расход жидкости, заполняющей раскрываемые трещины.

Превышение давления жидкости гидрорасчленения на «кончике» раскрываемых трещин определяется по формуле [1]: р > рН + и

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Гз —Г3 ^ "дл >

где Р3 — давление на забое скважины, Р3Н — давление раскрытия трещины, Ьдл — потери напора по длине трещины.

Для поддержания режима гидрорасчленения при гидравлическом воздействии на угольный пласт требуется темп нагнетания жидкости в пределах 10ч100 л/с. Существует способ импульсной гидравлической обработки пласта в режиме гидрорасчленения [4], позволяющий произвести обработку без применения мощных насосных агрегатов. В этом случае достаточно использование менее производительного насоса, который обеспечит запас энергии в гидроаккумуляторе, необходимый для режима гидрорасчленения.

Технология увеличения проницаемости [4] предусматривает режим обратного гидроудара. В этом случае гидроудары создаются за счет энергии упругой деформации, запасенной в обрабатываемом пласте на этапе обработки в режиме гидрорасчленения. Создание гидроударов после гидрорасчленения не позволяет значительно увеличить проницаемость призабой-ной зоны пласта. Кроме того, количество гидроударов и их мощность ограничивается количеством запасенной энергии в пласте.

В Национальном минарльно-сырьевом университете «Горный» разработана технология циклического импульсного гидродинамического воздействия в режиме прямого гидроудара. Принципиальное отличие от способа [4] заключается в дополнительном гидроударном воздействии на устье скважины перед внедрением жидкости в пласт в режиме гидрорасчленения. В предлагаемом способе воздействия также предусмотрен режим гидрорасчленения с применением гидроаккумулятора и насоса производительностью 1—10 л/с. Принципиальная схема обработки пласта приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема обработки пласта импульсным гидродинамическим воздействием через скважину с поверхности: 1 — сливная емкость; 2, 2-0, 2-1, 2-2 — запорные задвижки; 3 — гидроаккумулятор; 4 — насосный агрегат; 5 — водозабор; 6 — обсаженная скважина; 7 — обрабатываемый пласт

В гидроаккумуляторе создается исходное давление газа, при этом запорные задвижки 2, 2-0, 2-1, 2-2 — закрыты, скважина заполнена жидкостью до устья. Насосный агрегат производит заполнение гидроаккумулятора жидкостью до необходимого давления РоН при открытой задвижке 2-0. При достижении необходимого давления производится плавное открытие задвижек 2-1, 2-2. При этом происходит истечение жидкости из гидроаккумулятора в скважину.

Ниже приведен расчет основных технологических параметров оборудования.

Основываясь на опыте промышленных экспериментов по гидравлической обработке угольных пластов в режиме гидрорасчленения [1, 2, 3] на конечном этапе расход жидкости может достигать 0,1 м3/с при давлении на устье скважины 30 МПа. Такой темп нагнетания жидкости при необходимом давлении позволяет обеспечить зону обработки пласта радиусом 100-150 м. Средняя скорость потока жидкости из гидроаккумулятора в скважину определяется из выражения:

о = 1, Б

где ц — расход в скважине м3/с; 5 — площадь сечения труб долива и обсадной колонны м2.

При максимальном темпе нагнетания жидкости в пласт 100 л/с (0,1 м3/с) и внутреннем диаметре обсадных труб 100 мм (0,1 м) скорость движения жидкости в скважине составит а 0 1 • 4

^ = ^ = =12-73 м/с. (1)

S %• 0.1

Давление газа в гидроаккумуляторе, которое создаст движение жидкости с необходимым расходом определим согласно классическим предоставлениям об истечении жидкости из резервуара [5]:

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Р + Р, (2)

где P0 — давление в гидроаккумулторе; Ру — давление жидкости на устье скважины; р -плотность жидкости; ф — коэффициент скорости потока.

Согласно [5] коэффициент скорости потока ф для установившегося турбулентного режима определяется из выражения:

ф = 0,592 + 4^.

vRe

В опытных испытаниях гидровоздействия в режиме гидрорасчленения [1,2,3] процесс гидровоздействия начинается при давлении жидкости на устье скважины Р = 0,222H + Рт ,

где Н — глубина залегания пласта, Рт — статическое давление столба жидкости. Давление, при котором процесс гидрорасчленения завершался, составляло 250 атм. Таким образом, рабочий диапазон давлений в гидроаккумуляторе с учетом минимального (10 л/с) и максимального (100 л/с) темпа нагнетания жидкости в пласт, определенный по формулам (1) и (2), составил см. табл. 1.

Таблица 1

Основные технологические параметры оборудования для импульсного гидрорасчленения

Темп закачки, Давление Средняя скорость

л/с в гидроаккумуляторе, МПа потока, м/с

10 1,22 1,27

100 2,52 12,73

У» 200 300

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

400 500 В00 Число циклов

Рис. 5. Зависимость зоны обработки от количества циклов внедрения жидкости в пласт

Режим гидрорасчленения осуществляется циклической работой гидроаккумулятора. Оценка размеров зоны обработки пласта при импульсном гидрорасчленении производилась при каждом цикле внедрения жидкости в пласт, при этом общий объем гидроаккумулятора принамался равным

20 м3 объем закачиваемой жидкости 2 м3.

В [1] необходимый темп закачки в скважину определяется из выражения: 4ЯИп%тК АР

Ч = I 2 2 > (3)

у]4цтКАР - ц2р2

где К — радиус зоны обработки, Ь — мощность пласта, п — среднее число трещин, т — эффективная пористость пласта, К — проницаемость пласта, АР — разность давлений на стенке трещины и пластового давления.

Из выражения 3 зная расход и подаваемо давление, возможно определить радиус зоны обработки:

Я =

д^4цтКАР - ц2р2

4Ип%тК АР

С увеличением зоны обработки, увеличиваются потери жидкости. Согласно [2] потери жидкости возможно оценить из выражения:

ОАпИр

е=-

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

2t

На рис. 5 представлена полученная зависимость зоны обработки от количества циклов внедрения жидкости в пласт с учетом потерь жидкости на фильтрацию. Потери жидкости учитывались при каждом цикле, с учетом времени.

Таким образом создание газопроницаемых зон в угольном пласте в режиме гидрорасчленения может быть достигнуто циклическим импульсным гидродинамическим воздействием, при этом режим гидрорасчленения обеспечивается совместной работой насосного агрегата производительностью 1—10 л/с и гидроаккумулятора. Применение импульсного гидрорасчленения угля при заблаговременной дегазации позволяет создать проницаемые зоны радиусом до 90 м.

Зона обработки угля при импульсном гидрорасчленении может быть увеличена путем дополнительного гидроударного воздействия перед подачей жидкости в пласт (прямой гидроудар) и при сбросе давления в скважине (обратный гидроудар).

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. — М.: Недра, 1979. — 271 с.

2. Пучков Ë.A., Сластунов C.B., Коликов К.С. Извлечение метана из угольных пластов. М: Изд.МГГУ, 2002. — 383 с.

3. Ножкин Н.В., Аниканов В.М., Ахметбеков Ш.У. Опыт заблаговременной дегазационной подготовки шахтных полей карагандинского бассейна: — Экспресс-информ./ЦНИЭИуголь. — М., 1980.

4. Патент № 2298650 России МПК E21F7/00. Способ гидравлической обработки пласта / Пучков Ë.A., Сластунов C.B., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С.

5. Френкель Н.З. Гидравлика. ГЭИ М., 1956. — 452 с. ГГШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Коршунов Г.И. — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, Афанасьев П.И. — кандидат технических наук, заведующий лабораторией, Курта И.В. — ассистент кафедры, Серегин А.С. — аспирант,

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», rectorat@spmi.ru, Ютяев Е.П. — кандидат технических наук, генеральный директор ОАО «СУЭК-Кузбасс», office@suek.ru

А