CC BY
35
------ф
^---------
--------------------------- © Г.Г. Каркашадзе, К.С. Коликов,
В.А. Сысенко, 2006
УДК 622.371
Г.Г. Каркашадзе, К.С. Коликов, В.А. Сысенко
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В ПРОЦЕССЕ ГИДРООБРАБОТКИ И ОПЫТНЫХ ИСПЫТАНИЙ
В технологиях извлечения метана из неразгруженных угольных пластов большой практический интерес представляет определение значений проницаемости угольного пласта и его изменение в процессе целенаправленных физических воздействий, в том числе после гидравлической обработки. Величина проницаемости угля является основной физической характеристикой угля, по которой определяют технологические параметры последующей дегазации угольного пласта, в том числе ожидаемый дебит скважин. Связь между проницаемостью угля и дебитом определяется на основе физического процесса фильтрации газа из массива к скважине. Если угольный массив однородный, то связь между дебитом газа и проницаемостью угля действительно выражается линейной зависимостью [1]. Однако в случае представления угля в виде блочной среды более справедливым является понятие о двух уровнях фильтрации и проницаемости:
- первый уровень обусловлен каналами проводимости между отдельными блоками;
- второй уровень обусловлен каналами проводимости внутри отдельных блоков.
Из этого следует, что проницаемость проявляет масштабный эффект и ее величина, определенная в лабораторных условиях на кернах, существенно отличается от проницаемости угольного пласта. В то же время, дебит скважин зависит проницаемостей обеих уровней. Если первый уровень проницаемости определяется в лабораторных исследовани-
ях на основе испытаний кернов, то второй уровень может быть определен на основе гидродинамических испытаний пласта, как процессе его первичной гидрообработки, так и последующей - вторичной обработки. В действительности между коэффициентом фильтрации жидкости в пласте и проницаемостью второго уровня существует линейная зависимость [2].
В проведенных ранее исследованиях в МГГУ разработана теоретическая модель гидравлического расчленения угольного пласта, учитывающая самые главные закономерности изменения коэффициента фильтрации в зависимости от величины давления гидравлического потока в пласте. В модели учитывается скачкообразный рост коэффициента фильтрации в момент начала роста трещины под действием критического давления Ркр жидкости, последующий рост и падение коэффициента фильтрации по мере изменения давления. Подробное описание модели, численного метода решения и результатов компьютерного моделирования подробно изложены в работах [3,4,5].
В данной работе нами сделано дополнение, заключающееся в определении остаточного коэффициента фильтрации угольного пласта после завершения гидрообрабтки.
Рассмотрим случай, когда из решения обратной задачи фильтрации, в результате сопоставления теоретической и фактической зависимостей системы
уже определены базовые фильтрационные параметры пласта, в том числе: К0 = 0,11 м/сут; Кр = 3,0 м/сут; Ркр = 17,5 МПа; д = - 0.02 кг/(м2сек); /да1 = 21,2510-8 м/(сутПа); /да2 = 5- 10-8 м/(сутПа).
На рис. 1 представлена зависимость коэффициента фильтрации угля в месте залегания пласта от давления рабочей жидкости, построенная по указанным выше данным.
Вычисление остаточного коэффициента фильтрации осуществляется в следующем порядке. Допустим в процессе гидрообработки пласта, вдоль всего периметра на некотором расстоянии от оси скважины было реализовано максималь-
(1)
ное давлении 20МПа. К этому времени элементы угля, расположенные вдоль всего периметра, прошли ряд структурных преобразований, а именно: до начала гидрообработки уголь имел коэффициент фильтрации К0 = 0,11 м/сут, который сохранялся неизменным вплоть до величины критического давления Ркр = =17,5 МПа, после достижения которого коэффициент
&
о
3
го
а
!5
с;
<и
3
-0
-0
т
о
Давление жидкости в угольном пласте, МПа
Рис. 1. Зависимость коэффициента фильтрации угля в месте залегания пласта от давления рабочей жидкости
фильтрации резко увеличился, вследствие стартового роста трещин, и достиг величины Кр = 3,0 м/сут. Наконец, давление на указанном расстоянии от оси скважины достигло максимальной величины Рмакс = 20 МПа, при этом коэффициент фильтрации также увеличился, вследствие продолжающегося раскрытия трещин, и принял значение К(Рмакс)
К(Рмакс) = Кр +( Рмакс - Ркр )'¿9^ . (2)
Расчетное значение:
К(201 06) = 3 +(20 -17,5)-106- 21,25 10-8 = 3,531 м/сут.
Далее пласт испытал полномасштабную гидрообработку и конце концов давление, после осушения, понизилось до нуля. Вследствие понижения давления произошло частичное закрытие трещин. Полного закрытия произойти не может
вследствие изменения напряженного состояния пласта и наличия в раскрытых трещинах угольного штыба, а возможно и кварцевого песка, использованного при гидрообработке.
Остаточный коэффициент фильтрации принимает значение К(0)
К(0) = К(Рмакс) - Рмакс' ^2 . (3)
Расчетное значение:
Расчет 0(Т) со следующими параметрами радиус расчета г- ? м, мощность ппаста 11-0 0 м. глубина сквлкимы I “500 м. пористость пО-О 015. dr-0 ?5 м. dt-0 ? с
Время,час
Рис. 2. Расход жидкости, направляемый для гидрообработки пласта
К(0) = 3,531 - 20-106- 5,0 10-8 = 2,531 м/сут.
Аналогичным путем определяются остаточные коэффициенты фильтрации по всем периметрам вдоль радиуса гидрообработки. Эта методика имеет программное обеспечение и компьютерную реализацию. На рис. 2 представлен режим гидрообработки пласта со следующими параметрами: мощность пласта - 2 м; глубина залегания - 500 м; пористость пласта в обычных условиях - 0,015; отношение коэффициентов фильтрации во взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости пласта - 3; радиус скважины на контакте с пластом - 0,2 м. Начальный участок гидрообработки происходит
при расходе жидкости 20 л/с, затем расход повышают до 80 л/с.
На рис. 3 представлено изменение давления жидкости на входе в пласт при заданном законе изменения расхода жидкости. С учетом давления столба воды в скважине рассчитывается давление, которое должен развивать насосный агрегат. Так, например, из рис. 3 видно, что максимальное давление жидкости составляет 23,2 МПа. Следовательно, что бы
Время,час
Рис. 3. Давление жидкости на входе в пласт при заданном изменении расхода жидкости
Рис. 4. Распределение давления жидкости в пласте в момент времени t = 0,21 час
|^ ипШМ - РгМ1 В0И1
Печать Расчет О программе
Расчет изолиний остаточного коэффициента фильтрации с параметрами: время расчета 1= 0.21 ч, мощность пласта Н=2.0 м, глубина скважины 1_=500 м. пористость п0=0.015. с!г=0.25 м, сИ=0;2 с, К_Ауег6РР=2.35 м/сут, К_Ауег=0.94 м/сут
Рис. 5. Изолинии остаточного коэффициента фильтрации после завершения гидрообработки пласта
На рис. 4 представлено распределение давления жидкости в пласте в момент времени 1 = 0,21 час. Видно, что вдоль оси У граница зоны обработки, в которой произошел скачкообразный рост трещин, составляет около 12 м. Вдоль оси X граница зоны гидрообработки выше и составляет около 20 м, что объясняется более высоким коэффициентом фильтрации в этом направлении. Это видно из рис. 5, на котором представлен самый важный результат компьютерного моделирования - распределение остаточного коэффициента фильтрации по площади гидрообработки. Там же указано остаточное значение среднего по площади коэффициента фильтрации в зоне гидрообработки, которое составило 2,35 м/сут.
В МГГУ имеется программное и методическое обеспечение для решения данной задачи определения гидроди-
намических параметров угольных пластов в процессе гидрообработки. Методика расчета может быть адаптирована к задаче опытных гидродинамических испытаний угольных пластов.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каркашадзе Г.Г., Каркашадзе Л.Г. Осесимметничная задача фильтрации газа в скважину.-М.: ГИАБ, 2002, №6, С. 54-57.
2. Винников В.А., Каркашадзе Г.Г. Гидромеханика: Учебник для вузов.- М.: Издательство МгГу, 2003 - с.269
3. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С. Аналитическая модель гидравлического расчленения угольного пласта. Журнал «Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых». Новосибирск, 2002г., №6.
4. Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С., Алексеева В.А. Разработка аналитической модели гидрорасчленения угольного пласта. - М.: ГИАБ, 2002, №6, С. 50-53.
5. The Development of Analytical Model for Hydraulic Treatment of Coal Bed and Determination of its Main Hydrodynamic Parameters L.A. Puchcov, S.V. Slastunov, G.G. Karkashadze and K.S. Kolilov (Moscow State Mining University, Russia). Публикация международной конференции. Алабамский университет. 2005.
і— Коротко об авторах-----------------------------------------
Каркашадзе Гиогргий Гоиголович - профессор, доктор технических наук, заместитель проректора по научной работе, Московский государственный горный университет.
Коликов Константин Сергеевич - профессор, доктор технических наук,
Сысенко В.А. -
Московский государственный горный университет.
