Научное обоснование электромагнитного способа интенсификации извлечения шахтного метана скважинами с горизонтальным окончанием ствола Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

- © В.А. Бобин, 2014

УДК 622.817

В.А. Бобин

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СПОСОБА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ШАХТНОГО МЕТАНА СКВАЖИНАМИ С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ ОКОНЧАНИЕМ СТВОЛА

Дано научное обоснование электромагнитного способа интенсификации извлечения шахтного метана скважинами с горизонтальным окончанием ствола, обеспечивающего достаточный для практического использования приток метана к добычной скважине. По результатам теоретических исследований определены значения параметров волнового воздействия на газонасыщенное угольное вещество с целью интенсификации выделения метана, которые составляют от 0,7 МГц до 88 ГГц.

Разработана методика лабораторного экспериментального подтверждения эффекта волнового воздействия на газонасыщенное угольное вещество, сконструирован и изготовлен испытательно-измерительный комплекс.

В ходе лабораторных экспериментов подтвержден эффект интенсификации выхода метана из угля при электромагнитном воздействии на него в диапазоне частот от 30-50 кГц до 40-50 мГц для всего ряда метаморфизма углей.

Это позволило предложить способ интенсификации извлечения метана из неразгруженных угольных пластов за счет пятистадийного волнового воздействия, что позволяет перевести сорбированный углем метан из состояния твердого угольного раствора в свободное состояние.

Ключевые слова: шахтный метан, электромагнитный способ, скважины с горизонтальным окончанием ствола.

Заблаговременное извлечение метана из угольных пластов, не подверженных влиянию горных работ, возможно лишь при изменении физико-механических, термодинамических и фильтрационных свойств горного массива, что может быть осуществлено при применении специальных техногенных воздействий на углевмеща-ющую толщу (пласт).

120

К наиболее известным активным методам воздействия на горный массив относятся способы разгрузки пласта с помощью скважин или газосборных выработок, а также гидро- и пневморазрыва, физико-химического, виброволнового, электро- и ультразвукового воздействия на пласт или углевмешаюшую толщу и ряд других способов [1-2].

Известные способы заблаговременного извлечения (добычи) метана угольных пластов базируются на использовании скважин сложного профиля с горизонтальным окончанием ствола (горизонтальных скважин — ГС), пробуренных в плоскости угольного пласта.

Идея работы состоит в том, чтобы за счет электромагнитного воздействия на угольный пласт целенаправленного изменить свойства и характеристики угольного вещества, переводя устойчивую природную систему «уголь-метан» в новое, метастабильное состояние с выделением значительного количества метана.

Научную основу такого типа воздействия на природную систему «уголь-метан» составляет теория структурной трансформации газонасыщенного угольного вещества при внешних воздействиях [3].

Ключевой задачей в теории и практике применения электромагнитного воздействия (ЭМВ) на угольный пласт является задача определения собственных частот колебаний угольного пласта, как активной геофизической среды, имеющей блочно-зернистую структуру и перестраивающую свою микро- и макроструктуру под воздействием энергии волновых колебаний [4].

В модели микропоры газонасыщенного угольного вещества основополагающим является представление о характере структурных связей в нем между кристаллитами, образующими скелет угольного вещества, и боковой бахромой [5].

Реакция природной системы «уголь-метан» на различного вида воздействия особенно наглядно проявляется, например, при образовании свободной поверхности в результате бурения скважин в угольном пласте.

В результате образования свободной поверхности в угольном пласте происходит перераспределение напряжений, а в направлении нормали к этой поверхности — практически полная разгрузка. При этом все, что составляет сущность природной системы «уголь-метан», а именно: кристаллиты, бахрома, микропоры и находящийся в них

121

газ в состоянии твердого раствора (абсорбированном состоянии), реагирует на изменение напряженного состояния.

Реакция угольного вещества на всех уровнях строения на разгрузку его от сил горного давления зависит как от его упругих свойств, так и от сил поверхностного натяжения, а при определенном соотношении между ними она может характеризоваться как колебательный процесс [6], который математически описывается уравнением:

т (¿2г/Л2) = -Ру + Рот, (1)

где т — масса кристаллитов и неароматических групп, составляющих поверхность микропоры, т = (0,15-0,3)х10-22 кг; р = Бпуг (сила поверхностного натяжения), Го ~ 10-15 А = (10-15) 10-10 м; Рот — сила межмолекулярного отталкивания, Рот = аг, где а = 5 Н/м. Подставляя выражения для сил, получим уравнение (1) в виде:

{62гт2) + ((8пу - а)/т) г = 0, (2)

где круговая частота собственных колебаний

ю2=(8лу - а)/т. (3)

Учитывая, что ю = 2л/, для частоты воздействия / получим

/ = ю/2п = ((8пу - а)/т)1/2/2п. (4)

Таким образом, частота собственных колебаний микропоры, насыщенной газом, определяется: 1) разностью между поверхностным натяжением угольного вещества и упругостью сорбированного газа; 2) массой кристаллитов и неароматических групп, составляющих поверхность микропоры. При этом упругость сорбированного газа в значительной степени может уменьшить частоту собственных колебаний микропоры, насыщенной газом, т.е. является существенным управляющим параметром рассматриваемой природной системы.

В свою очередь масса кристаллитов и неароматических групп изменяется в зависимости от степени метаморфизма угля, что может приводить, правда, к не существенному уменьшению частоты собственных колебаний микропор, размещенных в углях, относящихся к антрацитам.

Кроме того, как это следует из формулы (4), при значениях упругости сорбированного газа близкой к величине 8пу частота

122

собственных колебаний может перемешаться даже в область ин-фразвуковых колебаний. Этот вывод еше раз подтверждает опытный факт, свидетельствуюший о том, что физическая природа внешнего воздействия на газонасышенное угольное вешество может быть различной, а результат воздействия — сопоставимый и зависяший от внутреннего состояния угля.

В работе [7] показано, что параметры волнового воздействия на газонасышенное угольное вешество с целью интенсификации выделения метана за счет разрыва структурных элементов на микро- и макроуровне могут изменяться, по крайней мере, на четыре порядка величины и составляют следуюшие величины, которые представлены в таблице.

Для оценки эффективности волнового воздействия на газона-сышенное угольное вешество был разработан испытательно-измерительный комплекс, включаюший вибрационно-волновой стенд для моделирования процессов деструкции системы «метан-уголь» (ВВС-М), электромагнитный дистанционный индикатор поляризации вешеств ЭДИП-2 и вакуумный декриптометр ВД-5, предназначенный для регистрации и диагностики продуктов распада твердых газоугольных растворов (конструкция Геотехцентра-Юг РГУ с хро-матографической приставкой) (рис. 1).

Лабораторные эксперименты были проведены на двух образцах природного угля Краснодонецкого углегазового месторождения Восточного Донбасса (Россия), относяшихся к марке Ai, причем первый образец отличается от второго тем, что в нем слабо выражен эффект газовыделения.

В ходе экспериментов получены следуюшие результаты:

1) в первом образце зафиксированы только два максимума газовыведения при частотах соответственно 50 и 500 кГц;

2) во втором образце зафиксированы два максимума газовыведения при тех же частотах 50 и 500 кГц и два максимума при частотах 5 и 50 МГц;

Таблица

Элементы структуры угольного вещества

Поры Частицы

Микро- Мезо- Макро- Сорбционные Суперсорбционные

f, Гц 88 ГГц 1 ГГц 10-100 МГц 2-25 МГц 0,7 МГц

123

ИЗМЕРИТЕЛЬ ЛТ-2

Рис. 1. Блок-схема волнового испытательного комплекса ЭВД-ЭДИП

3) интенсивность газовыделения в результате электромагнитного воздействия для обоих образцов достигает максимальных значений при частотах 50 и 500 кГц (рис. 2).

Эти результаты доказывают, что деструкция системы «уголь-газ» в исследованном диапазоне частот электромагнитного воздействия связана с резонансными процессами разрушения макропор, сорбци-онных и суперсорбционных частиц структуры угольного вещества, предсказанными и рассчитанными теоретически.

На основе проведенных исследований был разработан способ интенсификации извлечения метана из неразгруженных угольных пластов за счет волнового воздействия, сущность которого заключается в том, что в пробуренную в угольной пласте горизонтальную скважину помещают излучатель электромагнитного типа, с помощью которого осуществляется обработка угольного вещества электромагнитными колебаниями, при этом обработку пласта целесообразно, как показывают научные исследования, проводить в пять этапов, что позволяет перевести сорбированный углем метан из состояния твердого угольного раствора в свободное состояние (рис. 3).

Волновую обработку угольного пласта с помощью аппаратуры, установленной в горизонтальной скважине осуществляют в пять этапов: на первом — с частотой 2-25 МГц для воздействия на

124

Рис. 2. Графики зависимости интенсивности газовыделения в вакууме из образцов углей Краснодонецкого месторождения Восточного Донбасса от частоты внешнего электромагнитного воздействия

Рис. 3.

суперсорбционные частицы угольного вещества; на втором — с частотой 0,7 МГц для воздействия на сорбционные частицы угля; на третьем — с частотой 10-00 МГц для воздействия на макропоры угля; на четвертом — с частотой 1 ГГц для воздействия на мезопоры, и, наконец, на пятом — с частотой 88 ГГц для воздействия на микропоры.

Последовательность в этапах воздействия на угольное вещество направлена на разрушение макроструктуры угля, формирование в нем основных и переходных фильтрационных каналов, по которым газ, извлеченный из деструктурированных микропор, за счет градиента концентрации или давления поступает в свободное пространство скважины.

По результатам проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1) разработано научное обоснование электромагнитного способа интенсификации извлечения шахтного метана скважинами с горизонтальным окончанием ствола, обеспечивающего достаточный для практического использования приток метана к добычной скважине;

2) теоретически рассчитаны параметры волнового воздействия на газонасыщенное угольное вещество с целью интенсификации выделения метана за счет разрыва структурных элементов, которые изменяться от 0,7 МГц до 88 ГГц;

3) разработана методика лабораторного экспериментального подтверждения эффекта волнового воздействия на газонасыщенное угольное вещество, сконструирован и изготовлен испытательно-измерительный комплекс ЭВД-ЭДИП;

4) экспериментально подтвержден эффект интенсификации выхода метана из угольных пластов при электромагнитном воздействии на газонасыщенное угольное вещество в диапазоне частот от 30-50 кГц до 40-50 мГц для всего ряда метаморфизма углей;

5) разработан способ интенсификации извлечения метана из неразгруженных угольных пластов за счет пятистадийного волнового воздействия, что позволяет перевести сорбированный углем метан из состояния твердого угольного раствора в свободное состояние.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ножкин Н.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. — М.: Недра, 1979. — 346 с.

126

2. Гурьянов В.В., Бобин В.А. Формы нахождения метана в углях и геотехнологические методы дегазации угольных пластов. — Ростов-на Лону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2000. — 62 с.

3. Бобин В.А. Сорбционные процессы в природном угле и его структура. — М.: изд-во ИПКОН АН СССР, 1987. — 135 с.

4. Эткинс П. Физическая химия. Т. 2. — М.: Мир, 1980. — 584 с.

5. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. — М.: Наука, 1974. — 560 с.

6. Бишоп Р. Колебания. — М.: Наука, 1986. — 192 с.

7. Бобин В.А. Линамические частотные характеристики микро- и макро-структурных образований газонасыщенного угольного вещества: В сб. научных трудов IX Международной научной школы. Симферополь, 1999. С. 16-17. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Бобин Вячеслав Александрович — доктор технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, [email protected]

127