CC BY
14
© В.А. Бобин, 2015
УДК 622:331:817 В.А. Бобин
МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ КАНАЛОВ МОЛЕКУЛЯРНОГО ТИПА В УГОЛЬНОМ ВЕЩЕСТВЕ
Разработана модель разрушения газонасыщенного угольного вещества на микроуровне с учетом влияния его минеральных включений. Установлены силовые критерии разрушения его микроструктуры при изменении внешнего воздействия. При этом установлено, что минерал-включения в угольном веществе не только участвуют в процессе трансформация его структуры, но и образуют внутреннее микропространство, по которому за счет молекулярного течения метан транспортируется в фильтрационное поровое пространство. Предложен механизм образования транспортных каналов молекулярного типа в угольном веществе, представлено его математическое описание и дана оценка длины этих каналов.
Ключевые слова: наноструктура, уголь, микроструктура угольного вещества, сорбированный газ.
Наиболее важными идеями, которые целесообразно использовать для разработки способов эффективного воздействия на угольный пласт с целью извлечения из него сорбированного метана, является идея трансформации наноструктуры углей за счет резкого изменения их напряженно-деформированного состояния и в результате электромагнитного воздействия сверхвысокой частоты [1].
В результате внешнего воздействия происходит изменение внутренней микроструктуры угольного вещества, что способствует в свою очередь переходу сорбированного метана в свободное состояние, росту микро- и макротрещин, формированию в угольном веществе фильтрационного по-рового пространства и истечению по нему свободного метана.
В России проблема массопереноса газа в угольных пластах, а также вопросы теории их деформирования и разрушения рассматривались в работах С.А. Христиановича, С.В. Кузнецова, Р.Л. Салганика, А.М. Линькова и др. Однако, теоретические аспекты разрушения природных пористых изначально непроницаемых коллекторов и образования в них наведенных
каналов, формирующих фильтрационное пространство, при десорбции сорбированного газа не рассматривались.
В ИПКОН РАН в работах И.Л.Эттингера, А.Т.Айруни, И.В.Зверева, С.В.Кузнецова и др. были разработаны различные аспекты взаимодействия сорбированного газа и структуры газонасыщенного угольного вещества, а также сформулированы основные положения теории структурной трансформации вещества угля при различных видах внешних воздействий. Эти работы нашли широкое применение при решении различных задач, направленных на извлечение метана из неразгруженных угольных пластов.
Основные положения теории структурной трансформации:
— микросорбционное пространство угольного вещества представляет собой совокупность микросорбционных подпространств, заполняемых соответствующими им сорбатами (газами);
— тип микропоры определяется характерным размером поглощаемых в ней молекул сорбата;
— структурная трансформация газонасыщенного угольного вещества происходит за счет высвобождения аккумулированной в микропорах потенциальной энергии отталкивания молекул сорбата, при этом соотношение между структурным и энергетическими параметрами первичной и формирующихся структур не изменяется;
— газонасыщенное угольное вещество представляет собой полидисперсную микропористую саморегулирующуюся систему способную к адекватным изменениям своей структуры при соответствующих изменениях внешних воздействий.
В этой связи значительный интерес представляет задача дальнейшего развития тех положений теории структурной трансформации микропористой системы «уголь-метан», которые объясняют и описывают механизм образования транспортных каналов молекулярного типа, по которым перешедший в свободное состояние сорбированный газ фильтруется по пласту.
При решении этой задачи, связанной с добычей шахтного метана следует учитывать как состав органического вещества (ОВ), так и минеральных включений (МВ).
Однако в них влияние минеральных включений на процесс деструкции структуры угля изучено недостаточно, что обуславливает актуальность дальнейших исследований в этой области, а их новизна заключается в научно обосновании роли минеральных включений в развитии транспортных каналов, образующих в угольном пласте фильтрационное поровое пространство.
Эти исследования теоретически базируются на работах С.А.Христиановича и В.Н.Пузырева [1], а экспериментально — на результатах исследования органической и неорганической частей углей, которые дают следующее представление об угольном веществе:
1. Природный уголь — сложный композит, состоящий из органической и неорганической частей, представленных тонкодисперсным веществом равномерно рассеянным в органической матрице или крупными частицами мелкопесчаной размерности [2].
2. Неорганические компоненты системы заполняют пространство между органическими образованиями, содержатся как механические примеси [3].
3. Органическое вещество (ОВ) имеет блочную структуру, содержащую жесткие ароматические элементы-блоки и менее прочные алифатические прослойки, аккумулирующие механическую энергию [4].
4. При внешних воздействиях минеральные включения (МВ) играют роль центров концентрации напряжений и генерации дефектов. Концентрация микроминеральных фаз составляет 243±56 частиц на 1 куб мкм (или 1014- 1015 частиц/см3), при средней суммарной удельной поверхности (Б) 0.3±0.15 м2 на 1 куб мкм витринита некоторых углей [5].
Рассмотрим варианты пространственного расположения минералов-включений в ароматических блоках (кристаллитах) и алифатических прослойках (аморфных группах).
Примем, что минерал-включение представляет собой шаровую частицу радиусом Нмв. Расчеты дают Нмв» 1,2х10-9 м = 1,2 нм. Отсюда следует, что минерал-включения внедряются не в каждую из 1018 наномикропор/см3 [6], содержащихся в угле, а только в их небольшую часть, составляющую порядка 1015 частиц/см3.
Естественно, что и критерии разрушения этих наномикро-пор, как содержащих минерал-включения, так и без них будут различными. Оба варианта представлены на рис. 1 и 2, где показано, что минерал-включение внедрено или в кристаллит на-номикропоры, или в ее аморфную группу и занимает по примерно десятую долю ее длины окружности центрального сечения, а по площади - лишь 16 % ее поверхности.
И тогда в первом случае прочностные свойства наномик-ропоры будут определяться прочностными характеристиками углерода ([с]крист), а во втором — прочностными свойствами аморфных групп ([с]аМорф ).
Как показано в работе [7], в условиях всестороннего сжатия угольного скелета взаимодействие молекул сорбата и угольного вещества, а также молекул сорбата в наномикропо-рах между собой при их плотной упаковке в микропорах является взаимодействием отталкивания.
В результате разгрузки системы «уголь-метан» от сжимающих усилий, вызванных горным давлением, эти силы отталкивания (Рот =аг) могут превысить величину сил поверхностного натяжения (Ру=8луг), что приведет к разрыву связей между кристаллитами и аморфными группами, а силовой критерий этого процесса выражается в виде неравенства [7] а > 8пу (1)
где а = 5 Н/м (упругость межмолекулярного отталкивания), а г = = 5-10-9 м - радиус наномикропоры.
Рис. 1. Сечение наномикропоры с минералом-включением, расположенным в кристаллите:
Рис. 2. Сечение наномикропоры с минералом включением, расположенным в аморфной группе:
1 - кристаллит, 2 - аморфная группа, 3 - молекулы метана, 4 - минерал-включение
Однако, силовой критерий разрыва связей, выраженный соотношением (1), справедлив только для наномикропор не содержащих минерал-включения. При наличии минерал-включений силовое взаимодействие между силами межмолекулярного отталкивания и силами, определяется в первом случае (рис. 1) прочностные свойства кристаллита ([с]крист), а во втором -аморфных групп ( [с]аМорф ).
В этом случае разрыв структурных связей произойдет тогда, когда силовое воздействие, оказываемое межмолекулярным отталкиванием молекул метана, превысит прочностные свойства кристаллита или аморфных групп. Математически критерий разрыва структурных связей в соответственно следующий вид
Рот/2лНМв2>[с]крист или а>2лНМв2[с]крист/г (2)
Рот/2пНмв2>[а]аМорф или а>2лНМв2[с]аМорф/г (3)
Расчет значений [с]аморф и [с]крист с учетом входящих в соотношения (2) и (3) параметров показывает, что эти значения составляют 1,6х103 МПа и на три порядка величины превышают все реальные прочностные характеристики углей, которые составляют всего 2МПа. Таким образом, запасенной в наномикропорах угольного вещества потенциальной энергии отталкивания молекул метана достаточно, чтобы разорвать любые прочностные связи в структуре угольного вещества.
Это указывает на то, что в результате внешней разгрузки трансформация структуры угля в первую очередь будет происходить в наномикропорах, содержащих минерал-включения, независимо от их пространственного нахождения в структуре этих пор. Далее минерал-включение будет продвинуто вглубь угольного вещества, попутно создавая условия не только для разрыва связей у идеальных нано-микропор, но и образуя фильтрационное микропространство, по которому за счет молекулярного течения транспортируется метан.
Длину этих молекулярных транспортных каналов можно оценить по порядку величины, исходя из следующих соображений. Во-первых, за промежуток времен (1), когда происходит разрыв структурных связей при наличии в наномикропоре минерал-включений, сила отталкивания Рот в свою очередь изме-
ниться от своего максимального значения до нуля. Этот ограниченный временной интервал исчисляется малыми долями секунды (порядка микросекунды). Во-вторых, импульс силы отталкивания (Рот-"0 позволит за этот короткий промежуток времени придать минерал-включению соответствующее количество движения (ш-У), где т - масса минерал-включения, а V -скорость, которую приобретет минерал-включение под действием силы отталкивания. В-третьих, приобретенная минерал-включением кинетическая энергия (Екин = ш-У2/2) будет полностью поглощена сопротивлением вещества угля проникновения в него твердого минерал-включения (Рсопр) на величину образованного в веществе угля канала (Ь) молекулярного типа, т.е. Е = Р -Ь
сопр сопр
Значение V - скорости минерал-включения - определяется из соотношения:
Рот^ = ш-У (4)
Окончательно, из равенства значений кинетической энергии минерал-включения и энергии сопротивления его проникновения в вещество угля, получим для длины транспортного канала выражение:
Ь Екин/ Рсопр Ш*У / (2*рсопр ) (5)
Расчет значения длины проникновения по формуле (5) при значениях где а = 5 Н/м, г = 5-10-9 м, 1 = 10-6 с, ш = 8-10-24кг и Рсопр = (2 — 5) -104 Н дает величину от 72 до 180 нм ( или соответственно 0,07 - 0,18 мкм), что примерно в 7-18 раз больше размера наномикропоры. И учитывая, что при идеальном упорядоченном расположении наномикропор в угольном веществе, расстояние между ними оценивается в 25-40 нанометром, то образующиеся молекулярные каналы имеют возможность «прошить» несколько наномикропор, в том числе и изолированных. Так образуются протяженные каналы молекулярного типа, которые с течением времени и благодаря десор-бирующемуся метану могут разрастись до размера фильтрационных поровых каналов.
Выводы
1. Разработана модель разрушения газонасыщенного угольного вещества на микроуровне с учетом влияния его минеральных включений.
2. Установлены силовые критерии разрушения микроструктуры угольного вещества с учетом минеральных включений при изменении внешнего воздействия.
3. Выявлено, что минерал-включения в угольном веществе не только участвуют в процессе трансформация его структуры, но и образуют внутреннее микропространство, по которому за счет молекулярного течения метан транспортируется в фильтрационное поровое пространство.
4. Предложен механизм образования транспортных каналов молекулярного типа в угольном веществе, представлено его математическое описание и дана оценка длины этих каналов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бобин В.А. Сорбционные процессы в природном угле и его структу-ра.М., изд-во ИПКОН АН СССР, 1987, 135 с.
2. Шпирт М.Я., Клер В.Р., Перциков И.З. Неорганические компоненты твердых топлив. М.: Химия, 1990. 240 с.
3. Метаморфизм углей и эпигенез вмещающих пород. М., «Недра», 1975.
4. Ван Кревелен Д.В., Шуер Ж. Наука об угле. Госгортехиз-дат,1960,523 с.
5. Юдович Я.Э. Геохимия ископаемых углей. Ё.,Наука, 1978, 262 с.
6. Lin J.S., Hendrick R.W., Harris L.A. and Yust C.S. J. Appl. Crystalol-logr.,v.11,p.621,1978.
7. Бобин В.А., Зимаков Б.М., Одинцев В.Н. Оценка энергии межмолекулярного отталкивания молекул сорбата в микропорах угля. ФТПРПИ, №5, 1989, с. 52-59. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Бобин Вячеслав Александрович — доктор технических наук, [email protected], Институт проблем комплексного освоения недр РАН.
UDC 622:331:817
THE FORMATION MECHANISM OF MOLECULAR TRANSPORT CHANNELS OF TYPE IN THE COAL SUBSTANCE
Bobin V.A., Doctor of Science (Engineering), [email protected], Institute of comprehensive exploitation of mineral resources RAS.
In the paper developed a model of the destruction of the gas-saturated coal matter at the micro level, taking into account the impact of mineral inclusions. Installed power criteria destruction of its microstructure when changing external influences. It was found that the mineral inclusions in the coal substance is not only involved in the process of transformation of its structure, but also form an internal microspace, which due to molecular flow methane is transported to the filtration pore space.
Proposed mechanism of formation of transport channels molecular type in the coal substance, presents its mathematical description and evaluation of the length of these channels.
REFERENCES
1. Bobin V.A. Sorbcionnye processy v prirodnom ugle i ego struktura (Sorption processes in natural coal and its structure). Moscow, izd-vo IPKON AN SSSR, 1987, 135 p.
2. Shpirt M.Ja., Kler V.R., Percikov I.Z. Neorganicheskie komponenty tverdyh topliv (Inorganic components of solid fuels). Moscow, Himija, 1990, 240 p.
3. Metamorfizm uglej i jepigenez vmeshhajushhih porod. Moscow, Nedra, 1975.
4. Van Krevelen D.V., Shuer Zh. Nauka ob ugle (The science of coal). Gosgortehiz-dat,1960,523 p.
5. Judovich Ja.Je. Geohimija iskopaemyh uglej (Geochemistry of coals). Leningrad, Nauka, 1978, 262 p.
6. Lin J.S., Hendrick R.W., Harris L.A. and Yust C.S. J. Appl. Crystalollogr.,v.11, p.621, 1978.
7. Bobin V.A., Zimakov B.M., Odincev V.N. Ocenka jenergii mezhmolekuljarnogo ot-talkivanija molekul sorbata v mikroporah uglja (Estimate of the energy of intermolecular repulsion of sorbate molecules in the micropores of the coa!). FTPRPI, No 5, 1989, pp. 52-
59.
