Газогидроимпульсная обработка угольных пластов через вертикальные скважины для дегазации массива Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

водящие к заболеваниям.

Для обеспечения требуемых санитарногигиенических и микроклиматических условий в кабинах горно-транспортных машин

1. Ивашкин B.C. Борьба с пылью и газами на угольных разрезах. - М.: Недра, 1980. - 152 с.

2. Слепцов В.И. Микроклимат кабин северной техники. Якутск, Изд-во СО РАН, 2001. -192 с.

3. Козлов В.М., Пономарчук Г.П. Опыт применения водовоздушной и быстродействующей полимерной пены на дренажных полигонах. Колыма, 1976, № 7, с. 28-29.

необходимо создать систему контролирующую требуемые параметры в автоматическом режиме и регулирующую работу кондиционеров или нагревательных агрегатов.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Оценка влияния Кангаласского угольного комплекса на окружающую среду. Препринт. Якутск, 1997.

5. Кирин Б.Ф., Слепцов В.И. Анализ существующих систем очистки воздуха в кабинах горно-транспортных машин. «Безопасность труда в промышленности», № 5, 2002, с. 37-39.

— Коротко об авторах —

Харькова Н.Б. - инженер, Минэнерго.

© Б.М. Иванов, В.В. Дегтярев, А.М. Лысенко, В.И. Шепотько, 2004

УДК 622.817.9:661.184.35

Б.М. Иванов, В.В. Дегтярев, А.М. Лысенко, В.И. Шепотько

ГАЗОГИДРОИМПУЛЬСНАЯ ОБРАБОТКА УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ЧЕРЕЗ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ СКВАЖИНЫ ДЛЯ ДЕГАЗАЦИИ МАССИВА

Семинар № 5

Ш Я рограммой «Метан Кузбасса» предполагается организовать промысловую добычу метана из угольных пластов как самостоятельного полезного ископаемого ( наравне с природным газом, нефтью и углем). При этом роль главных коллекторов метана отводится угленосным участкам за пределами горных отводов ныне действующих в Кузбассе шахт. Из 26 перспективных для добычи метана участков и площадей с ресурсами 6 трлн м3 выделено 4 первоочередных для опытно-промышлен-ного освоения с общими запасами

1.5 трлн м3 метана.

Опыт извлечения метана из углегазовых месторождений через скважины с поверхности через неразгруженную угленосную толщу на глубинах свыше 500 м, показывает, как правило, весьма низкую продуктивность. Для повышения газопроницаемости и газо-отдачи угольных пластов применяются различные способы воздействия на горный массив через скважины.

Перспективным для повышения продуктивности скважин по добыче метана являются импульсные способы воздействия на угольные пласты [1, 2].

Для интенсификации нефтеотдачи глубоких скважин Корпорацией «Компомаш» весьма эффективно использованы способы газоимпульсного воздействия высокого давления на прискважинный массив и было предложено ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского разработать параметры этих способов для обработки газоносных угольных пластов. Схема импульсного газа (азота) высокого давления на угольный пласт из геологоразведочной скважины представлена на рис. 1, а техническая характеристика погружного газогенератора дана в табл. 1.

Как представлено выше, основной задачей газоимпульсного генератора является существенное увеличение газопроницаемости, а следовательно и газоотдачи газоносных угольных пластов вне зон влияния горных работ. Согласно ТЗ, схемы газоимпульсной обработки при-скважинной зоны угольного пласта (рис. 1) и технических характеристик газоимпульсного генератора ГИРС (табл. 1) к основным параметрам для расчета радиуса эффективной обработки ЯЭф угольного пласта следует отнести: По газоимпульсному генератору Раз = 30-150 Мпа - диапазон давления азота; Q = 10,0 кг - масса азота при заданном давлении; qHMn= 2,0 кг - масса азота при одном импульсе; F = 1,0 см - суммарная площадь выхлопных отверстий (по диаметру 6 отверстий радиусом до 2,5 мм); DH = 105 мм - наружный диаметр снаряда генератора; DBH = 76 мм -внутренний диаметр снаряда генератора; =

4,5 м - общая длина генератора; /т = 3,0 м -длина внутренней полости генератора; тимп= 0,11,0 с - длительность одного импульса; q/y = 1,56,0 л/с - темп нагнетания азота высокого давления в угольный пласт (при Раз = 105-135 МПа).

Таблица 1

Техническая характеристика газогенератора ГИРС

По горно-геологическим условиям (свойствам) залегания угольных пластов

Н = 600- 1200 м - глубина залегания пласта; у= 2,5 т/м3 - удельный вес пород кровли; а 1 = уН = 15-30 МПа - главные нормальные напряжения; а 3 = а 2 - горизонтальные напряжения; Рг = 3-13 МПа - давление газа в угольном пласте; П = 2-8 % - общая пористость угля; а сж= 5-15 МПа - прочность угля на одноосное сжатие; а отр= 1-2,5 МПа - прочность угля на растяжение; г = 0,075-0,100 м - радиус геологоразведочной скважины; m = 1-10 м - мощность угольных пластов.

Таким образом, для расчета эффективного радиуса зоны газоимпульсного воздействия на прискважинный массив угля представляется необходимым учитывать качественно или количественно 10 параметров, связанных с газоимпульсным генератором, и 10 параметров, характеризующих горногеологические свойства и состояние массива в окрестности скважины.

Результаты стендовых испытаний газоимпульсной установки ИГД им. A.A. Скочинского приведены на рис. 2 [1]. Для условий ГИРС в качестве прототипа подходит кривая 2, демонстрирующая изменение давления Р(МПа) во времени At (с) от 200 до 20 МПа при суммарной площади выходных отверстий 1,0 см2 за время 0,9 с.

Уравнение взаимосвязи Р = <p(At) представлено зависимостью вида:

Р = 207 - 353-At + 161(At), МПа (1)

Если использовать эту зависимость, то в нашем случае падение давления в газоимпульсном генераторе при свободном истечении газа от 150 МПа до 30 МПа произойдет за 0,6 с, что соответствует начальным условиям технического задания.

1. Давление при заправке генератора на устье до 150 МПа

2. Габаритные размеры генератора для 5-ти и 6-ти дюймовой колонны: - диаметр - длина 105 мм; 125 мм 4,5 м

3. Расходный запас азота в генераторе 10 кг

4. Расход азота за один импульс 2 кг

5. Длительность импульса 0,1-1,0 сек.

6. Число выхлопных отверстий по диаметру газогенератора 6

7. Диаметр выхлопных отверстий 2,5-5 мм

8. Количество эффективных выхлопов из одного генератора за один спуск снаряда 3

9. Участок эффективного воздействия одного выхлопа вдоль оси скважины (при длительности импульса 0,1-1,0 с) 1,0-1,5 м

10.Время обработки скважины, включая шаблонирование и привязку к зоне перфорации 3-8 ч.

Таблица 2

Расчетные значения Я3ф по формуле (4)

№ п/п Р 1 р 1 аз МПа. С1 МПа. ®сж МПа. Р 2 Рг МПа П % в3 МПа ^ отр МПа. Р 3 г, м Кэф

1 3,75-5 90 22,5 8,75 0,36 8 5 22,5 1,75 2,05 0,0875 5,4-13,8

2 4,38 30-150 -,,- 1,7-54,1

3 90 15-30 6,1-12,7

4 -,,- -,,- 22,5 5-15 -,,- -,,- 1,0-44,6

5 8,75 0,26-0,45 -,,- 6,5-12,5

6 0,36 3-13 9,5-14,2

7 8 2-8 5,3-13,9

8 -,,- -,,- -,,- 5 15-30 -,,- -,,- -,,- 7,8-12,4

9 -,,- -,,- -,,- -,,- 22,5 1-2,5 -,,- -,,- 1,7-2,6

10 -,,- -,,- -,,- -,,- -,,- -,,- 1,75 1-3,1 -,,- 4,0-38,3

11 -,,- -,,- -,,- -,,- -,,- 2,05 0,075-0,1 7,8-10,4

Среднее:________________________________________________________________________________13

К исследованию эффективного радиуса воздействия на газоносных и выбросоопасных пластах за последние 30 лет в результате гид-ро- или газообработки обращались многократно. Так, при лабораторном физическом моделировании при скоротечном (0,020-0,160 сек.) истечении газа высокого давления (Р = 60-75 МПа) регистрировалась скорость распространения зоны трещинообразования, которая составила 42-157 м/с [3]. При этом взаимосвязь изменения объема зоны трещинообразования и давления в ней подчиняется зависимости Р1 V/

Р2 V, ’

где Р! - давление, соответствующее объему VI; Р2 - давление, соответствующее объему V2; к = 1,4 - показатель адиабаты.

Для нас важен (по крайней мере) качественный вывод о том, что отношение давле-ний(нагрузок) в определенной мере пропорционально отношению объемов трещинообразования.

В обширных шахтных экспериментах по гидродинамическому вскрытию выбросоопасных пластов [4] импульсами нагнеталась вода в массив угля через скважину под давлением 5-7 МПа с резким сбросом давления до 1,0-1,5 МПа за время 1 = 0,5 с. При мощности пластов т = 0,78-2,83 м, прочности угля f = 0,75-1,5 (70-150 кгс/см2), глубине разработки Н = 7101100м, давлении газа Р2 = 8 МПа время цикла нагнетания и сброса давления составляло 1 = 35 мин. За 4-10 циклов нагнетания воды величина зоны разупрочнения ЯЭф достигала 4-8 м за контуры выработки. Было использовано 40 комплектов систем при вскрытиях 20 наиболее выбросоопасных пластов.

Таким образом, параметры и условия воздействия составили: максимальное давление нагнетания - 7МПа, резкий сброс давления - 0,5 с, прочность угля - 7-15 МПа, максимальное давление газа - 8 МПа, глубина разработки - 710-1100 м, мощность пластов - 0,78-2,83 м. При сечении вскрывающих выработок 8-27 м2 радиус эффективной зоны трещинообразования был равен 7,5-

11,5 м.

При импульсивном воздействии флюида на массив горных пород основное значение имеют темп нагнетания, величина импульса и давление, оказываемое на стенки скважин. Минимальное значение напряжений на контуре скважины аскв для образования трещин в зоне радиусом ЯЭф составляет:

^эф

^ скв= ^сж^, (3)

Г

где ст сж - предельные напряжения сжатия, МПа; г - радиус скважины, м.

Расчеты, произведенные по формуле (3), показывают, что при изменении прочности угля асж от 7 до 30 МПа, радиусе зоны трещинообразования К,ф = 10 ми радиусе скважины г = 0,05 м минимальные напряжения на контуре скважины должны быть соответственно равными 43 и 100 МПа. При этом весьма важным являются практические результаты взаимосвязи соотношений а скв/ а сж и (ЯЭф/г)1/2.

Условия разрушения на отрыв слоя угля внут-рипоровым давлением газа в ряде работ [5-6] характеризуются соотношением П*Р/аотр, где П

- пористость угля; Р - давление газа, МПа; аотр

- предел прочности на растяжение, МПа [7]. При достижении указанным соотношением величины, значительно превышающим единицу, возможно послойное разрушение угля в виде «волны дробления».

Рис. 1. Схема газоимпульсной обра-

'ітасі

па-

2,7

2,6

1,5

0,6

земной поверхности, м; у -удельный вес пород кровли, т/м3.

Следует обратить внимание на тот момент, что приведенные соотношения, связанные определенными коэффициентами пропорциональности, в нашем случае выступают в роли, препятствующей появлению зоны трещинообразования в результате воздействия газа высокого давления на прискважинную область угольных пластов.

Следовательно, соотношение вышеприведенных параметров для расчета величины эффективного радиуса трещинообразования в результате воздействия газа высокого давления из скважины можно представить в следующем виде

Раз - а і Рг • П + а

= PзV

я.

-эф

’ отр

Г

В то же время условие разрушения пласта угля силами горного давления выражается соотношением а1/асж, где а! = уН - главные сжимающие напряжения, МПа; а сж - предел проч-

Рис. 2. Изменение давления газа в генераторе при различном диаметре выходных отверстий: 1 - диаметр 3,3 мм, суммарная площадь = 0,5 см2; 2 - диаметр 4,6 мм, Б2 = 1,0 см2; 3 - диаметр 5,6 мм, Бэ = 1,5 см2

ности угля на сжатие, МПа; Н - глубина от

-----р2-

(4)

^ сж

где Ра, = 30-150 МПа - давление газов, прилагаемое к массиву на контуре скважины; а 1 = уН - главные нормальные напряжения, принятые равными 15-30 МПа; Н - глубина от поверхности (Н = 600-1200 м); у = 2,5 т/м3 -удельный вес пород кровли; ст сж - предел прочности угля на одноосное сжатие; РГ = 3-13 МПа - давление газа в угольном пласте; П = 0,02-0,08 - пористость угля; а отр = 1,0-2,5 МПа - предел прочности угля на растяжение; а3 = 15-30 МПа - боковое сжимающее напряжение ( в условиях всестороннего равномерного сжатия а 3= а1); г = 0,075-0,1 м - радиус скважины; ЯЭф = 1-54 м - эффективный радиус зоны трещинообразования .

В отдельную группу следует отнести коэффициенты пропорциональности рь р2 и .

Рз, отражающие качественные характеристики ряда природных условий и параметров воздействия на горный массив и подлежащие корректировке при стендовых или полевых испытаниях. р1 = 3,75-5 - коэффициент пропорциональности, характеризующий длительность импульса и темп нагнетания флюида при оп-

тимальной скорости трещинообразования; р2 =

0,26-0,45 - коэффициент пропорциональности, харатеризующий структуру и строение угольных пластов; р3 = 1-3,1 коэффициент пропорциональности, характеризующий степень

замкнутости пространства при обработке пласта из скважины

Расчетные значения эффективного радиуса зоны трещинообразования при воздействии газа высокого давления на прискважинный массив газоносного угольного пласта приведены в табл. 2. Данные табл. 2 показывают, что существует ранжировка приведенных параметров по уровню их влияния на величину ЯЭф (табл. 3).

Между Раз, рь г , с одной стороны, И Яэф, с другой стороны, наблюдается пропорциональная связь, а между остальными 8 параметрами и ЯЭф - обратная взаимосвязь.

Анализ данных значений, приведенных в табл. 2 и 3, следует проводить из допуще-ния,что ГИРС производит воздействие в замкнутом пространстве, а зона трещинообразования радиусом ЯЭф образуется при жестком «па-керовании». Можно допустить также то, что при присутствии «пакерования» с учетом зазо-

ра между корпусом ГИРС и обсадной трубой по радиусу, равного 10 мм, в скважине, заполненной раствором (вода, буровой раствор и др.) на высоту 400-500 м (гибкое «пакерование»), радиус воздействия Я; может быть равен 0,ЖЭф. В «сухой» скважине радиус воздействия Я2 может быть равен 0,6-0,Ж!. При отсутствии обсадных труб радиус воздействия Я3 может быть равен 0,4Я2, что в конечном счете должно корректироваться соответствующими значениями параметров Р! и р3.

Алгоритм определения ЯЭф приведен в блок-схеме [8] (рис. 3), а его численные значения для пластов шахты «Чертинская» - в табл. 4.

Выводы:

1. Анализ опыта эксплуатации углегазовых месторождений различных стран мира показывает жизненную необходимость повышения эффективности извлечения и использования метана угольных пластов с точек зрения безопасности последующего ведения горных работ, экологии в угледобывающих регионах и ресурсов энергосбережения.

Таблица 4

Результаты расчета Д>ф для пластов шахты «Чертим

2. Эффективное извлечение метана из неразгруженных угольных пластов на современных глубинах разработки возможно лишь путем применения специальных способов увеличения их газопроницаемости и, в частности, способа воздействия на угольный массив с использованием генератора импульсов высокого давления газа (азота) из скважины.

3. Исходными данными для выполнения работы в соответствии с ТЗ были приняты: давление Раз = 30-150 МПа; продолжительность импульса 1=0,1-1,0 с; расход газа за 1 импульс

- до 2 кг; диаметр выходного отверстия (сопла)

- 2,5-5 мм; число выходных отверстий по диаметру ГИРСа - 6.

4. Аналитическими исследованиями уста-

Рв-О! Рг * П + 0з И* ----------Р2--------------РэУ-------

^ ГЯ---- Роп»-, Г

Начало ------*—

Ввод доходных данных I программы

I'

Вычисление

Ах = р!-------------

I

Ьычяспенже =

РД + <% -А?-В==

4_

Вычисление Аз*А1 - Аз

I

Вычисление

А^Аа/р^-..

Вычислен не *3—

А^-САЛ!

Вычисление Я,ф= А5- г

I

Выдача результата

I

Конец

Рис. 3

новлено, что при газоимпульсном воздействии на пласт угля должны быть учтены следующие факторы:

• глубина от поверхности пластопере-сечения Н = 600-1200 м;

• удельный вес горных пород у = 2,5 т/м3;

• вертикальные напряжения 01= уН= 15-30 МПа;

• предел прочности угля на одноосное сжатие асж=5-15 МПа;

• давление газа в пласте Рг=3-13 МПа;

• пористость угля П=0,02-0,08;

• боковые напряжения а3=15-30 МПа;

• предел прочности угля на растяжение аотр=1,0-2,5 МПа;

• радиус скважины г=0,075-0,1 м.

5. Эффективный радиус трещинообразова-ния ЯЭф зависит от силовых параметров газоимпульсного воздействия, газодинамического состояния и физико-механических свойств обрабатываемого горного массива. Взаимосвязь между силовыми, горно-геологическими и геометрическими параметрами определяется:

• коэффициентом пропорциональности, характеризующим время, темп нагнетания

1. Забурдяев B.C., Сергеев ИВ. и др. Дегазация угольных пластов с применением методов активации га-зовыделения. ЦНИИЭИ уголь, М. , 1988, 50 с.

2. Забурдяев B.C., Забурдяев Г.С. Способы ин-тенсификции газоотдачи неразгруженных пластов угля в подземных условиях.// Современные проблемы шахтного метана. МГГУ, 1999, с. 106-117.

3. Кусов Н. Ф., Пиковец С.И. Исследование процесса трещинообразования при квазистатических нагрузках.// М., научные сообщения ИГД им. A.A. Скочин-ского, вып.108, 1973, 5 с.

флюида и соответствующим оптимальной скорости трещинообразования (р1 = 3,75-5);

• коэффициентом пропорциональности, характеризующим структуру и строение угольного пласта (р2 = 0,26-0,45);

• коэффициентом пропорциональности, характеризующим степень замкнутости пространства в зоне обработки пласта из скважины (р 3 = 1-3).

Проведена ранжировка значимости влияния основных параметров на ЯЭф. Наиболее значимым ЯВЛЯЮТСЯ Раз = 30,1 %, асж = 25,7 % и Рз= 19,8 %.

Значения коэффициентов рь р2 и р3 подлежат корректировке по данным результатов полевых испытаний способа газоимпульсного воздействия на массив угля.

6. Установлены зависимости изменения давления импульсного нагнетания Раз от времени 1 и площади выходных отверстий Б. При Б = 1,0 см2 Раз уменьшается со 150 до 30 МПа за время А1 = 0,6 с.

7. Разработан алгоритм определения эффективного трещинообразования в пласте угля в зависимости от исходных данных, силовых, горно-геологических, геометрических параметров газоимпульсного воздействия с применением снаряда ГИРС.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Христианович С.А. О волне дробления. О волне выброса. Изв. АН СССР. ОТН, 1953, №12, с.16673-1966.

5. Петухов И.М., Линьков А.М. Теоретические основы борьбы с выбросами угля, породы и газа. - М.: Уголь, 1975, №9, с.9-15.

6. Иванов Б.М., Фейт Г.Н., Яновская М.Ф. Механические и физическо-химические свойства углей выбросоопасных пластов. - М.: Наука, 1979, 196 с.

7. Ворощук А.Н. Основы ЦВМ и програмирова-ние, - М.: Наука, 1978, 464 с.

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

Иванов Б.М., Дегтярев В.В., Лысенко А.М., Шепотько В.И. — ОАО «Корпорация «Компомаш».

^--------

-------------- © Н.В. Макарюк, 2004