CC BY
23
В патенте РФ №2152518 (приоритет
28.12.98, патентовладелец Национальный научный центр горного производства - ИГД им. A.A. Скочинского), описан способ дегазации надрабатываемой угленосной толщи, предусматривающий бурение двух серий перекрестно расположенных скважин. До начала разгрузки угленосной толщи в скважины первой серии нагнетают под давлением не менее 12 МПа энерговыделяющую систему, представляющую собой, например, смесь нитрата аммония, воды и глицерина. Нагнетание можно осуществлять в импульсном режиме с амплитудой в гидравлическом импульсе до 100 МПа. Энерговыделяющая смесь распространяется по трещинам угольного пласта и после инициирования выделяет тепловую энергию внутри пор и трещин. Эта технологическая операция позволяет интенсифицировать извлечение кондиционного метана. Несмотря на указанные преимущества, следует иметь в виду, что добавление химического реагента в угольную толщу может отрицательно отразиться на качестве добываемого угля, что недопустимо.
Несмотря на обширный объем известных технических решений, возможности совершенствования процесса гидрорасчленения далеко не исчерпаны и существуют резервы повышения эффективности и снижения энергетических затрат.
Следует обратить внимание на тот факт, что после завершения гидравлической обработки угольного пласта через скважины, пробуренные с поверхности, вода самопроизволь-
но изливается из скважины, по крайней мере, в течение 6 часов. Мощность гидравлического потока на стадии самоистечения воды из скважины составляет около 30% от мощности на стадии нагнетания, что является большим энергетическим резервом, который в известных технических решениях никак не используется. В то же время в технике хорошо известно явление гидроудара в трубах, который возникает при резком перекрытии истекающего потока жидкости. Возникающие при гидравлических ударах давления, как правило, превышают давления, в гидравлических системах.
Эта идея реализована в разработке авторов статьи, защищенная патентом РФ №2188322 (приоритет 07.09.2001., патентовладелец МГГУ). По предлагаемой технологии, после завершения работ с нагнетанием воды в пласт, а именно - на стадии самоизлива, осуществляют цикличный сброс воды из устья скважины путем резкого открытия и перекрытия заслонки. Длительность открытия и закрытия заслонки выбирают так, что бы ударная волна сжатия-растяжения совершила бы хотя бы одно колебательное движение от заслонки до границы зоны гидрообработки. Для реализации данной технологии в МГГУ разработано гидроударное устройство, обеспечивающее необходимые режимы воздействия. Простота технической реализации, энергосбережение, высокие амплитуды гидроударов являются существенными технико-экономи-ческими преимуществами предлагаемой технической разработки.
__ Коротко об авторах
Сластунов Сергей Викторович - профессор, доктор технических наук, проректор по научной работе, Карка-шадзе Гиоргий Григолович — зам. проректора по научной работе,
Коликов Константин Сергеевич — доктор технических наук, доцент,
Московский государственный горный университет.
^ © Л.Г. Каркашадзе, 2004
УДК 622.234.5 Л.Г. Каркашадзе
РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГИДРОУДАРНОЙ ОБРАБОТКИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА НА СТАДИИ ИСТЕЧЕНИЯ ВОДЫ ИЗ СКВАЖИНЫ
Семинар № 5
ТЖ звестные технологии гидравлической -КА. обработки угольных пластов не в полной мере обеспечивают необходимую степень дегазации. Дополнительные воздействия с привлечением механизмов вибраций, теплового поля и других физических полей способствуют повышению проницаемости и метаноот-дачи пластов, однако их применение связано дополнительными, немалыми энергетическими затратами, что в конечном итоге негативно отражается как на экономических так и экологических показателях.
В то же время следует обратить внимание на тот факт [1], что после завершения гидравлической обработки угольного пласта через скважины, пробуренные с поверхности, вода плотностью р = 1000 кг/м3 самопроизвольно изливается из скважины, по крайней мере, в течение 6 часов. Давление в магистрали в конце процесса гидрообработки и, соответственно в начале процесса самоизлива воды из скважины составляет Р1 = 40'105Па, а начальная скорость истечения из трубы диаметром С = 70 мм равна и = 15 м/с. Оценим расход воды О и мощность N гидравлической струи в начале процесса истечения:
па2 , 3 3.14 • (70 -10-3)2 2
О — р----и — 1000кг / м -----------------м х
4 4
х15.м / с ~ 57,7кг / с
(1)
N _ О • Р1 _ 57,7кг/с • 40 • 105Па _
р 1000кг / мъ . (2)
= 230800Вт « 231кВт
Для сравнения рассчитаем мощность N0 гидравлической струи на стадии нагнетания воды в скважину при расходе воды О0 = 80 кг/с (0,08 м3/с) и рабочем давлении 100 атм (100'105 Па):
N0 = 0,08 м3/с-100-105Па = 800'103Вт = =800 кВт (3)
Таким образом, на стадии истечения воды из скважины струя содержит порядка (231/800)'100 % = 28,9 % от мощности, достигаемой на стадии закачки воды в пласт. Выполненными расчетами определен значительный энергетический резерв, который имеет место на стадии свободного истечения воды после гидрообработки пласта. Выявленный резерв может быть использован за счет реализации гидравлических ударов, возникающих при резком перекрытии истекающего потока жидкости [2]. Этот эффект можно использовать для интенсификации процесса гидрообработки
угольного пласта, без дополнительных энергозатрат, на стадии свободного истечения воды из скважины.
Рассмотрим три фазы гидроудара. На первой фазе, в момент закрытия задвижки в конце трубопровода, вся движущаяся вода постепенно останавливается, сжимаясь от слоя к слою. При этом одновременно повышается давление на величину ударного давления Др.
На второй фазе давление воды достигает величины р\ = р+Др. Упругая деформация сжатия и ударное давление распространяются от задвижки со скоростью с. При длине скважины I = 400 м и скорости звука в воде с = 1400 м/с время прихода ударной волны от задвижки до угольного пласта составляет Г = 0,29 с.
На третьей фазе происходит расширение сжатой воды. Все частицы воды приобретают обратную скорость и к концу второй фазы вся вода оказывается растянутой. Давление воды становится меньше первоначального и составляет р2 = р - Ар. Далее процесс повторяется, а возникший при гидроударе колебательный процесс носит затухающий характер.
Если не учитывать деформации стенок скважины, то величина максимального ударного давления, на второй фазе гидроудара, вычисляется по формуле Н.Е. Жуковского[2]
Ар = рус. (4)
Если скорость истечения из трубы диаметром 70 мм составляет 15 м/с, то в соответствии с уравнением неразрывности потока скорость воды в скважине диаметром 110 мм равна у = 15 м/с'(70/110)2 = 6,07 м/с. Тогда максимальное превышение давления гидроудара, распространяющееся по скважине от заслонки до угольного пласта, составит
Ар = 1000 кг/м3'6,07 м/с'1400 м/с = =85'105 Па. (5)
Формула (4) дает оценку величины превышения давления по максимуму. Однако фактическая величина давления гидроудара меньше расчетного значения (5), вследствие деформируемости стенок скважины, что уменьшает скорость распространения ударной волны от заслонки до забоя. Учет упругости стенок приводит к следующей расчетной формуле для скорости распространения ударной волны [2]
[К 1 , (6)
1 + * • Л
Е 8
где К - модуль упругости жидкости, у воды К = 19,62’ 108 Па; Л - диаметр трубопровода, м; 6
с =
- толщина стенки трубопровода; - модуль упругости стенки трубы, для стальных труб К/Е ~ 0,01.
В рассматриваемом случае при Л = 110 мм, 6 = 8 мм имеем следующую величину превышения давления Ар = =79,7'105Па, что ненамного отличается от приближенного расчета (5).
Если после завершения стадии гидрообработки в режиме нагнетания давление было равно р = 40'105Па, то в режиме гидроударов амплитуда импульсов давления в гидроударе будет составлять Р = (79,7+40)-105= 119,7 1 05 Па, что почти в 3 раза больше давления, реализуемого на заключительной стадии при использовании базовой технологии гидрообработки. Это свидетельствует о высоких потенциальных возможностях способа гидрообработки с применением гидравлических ударов на стадии свободного истечения воды из скважины.
На рисунке представлена принципиальная технологическая схема реализации способа гидрообработки угольного пласта. Скважина 1 пробурена до угольного пласта 2. Затрубное пространство скважины заполнено цементным раствором 3. На контакте скважины с угольным пластом предусмотрены отверстия 4, через которые нагнетают воду в пласт по трещинам 5. На выходе отработанной струи из скважины установлена задвижка 6, которая циклично открывается и закрывается. Длительность открытия и закрытия заслонки выбирают так, что бы ударная волна сжатия-растяжения совершила бы хотя бы одно колебательное движение. Рекомендуемый диапазон времени
Ai перекрытия жидкости в цикле определяют из выражения:
Л , L + R At = к-----------,
с
(7)
где к - эмпирический коэффициент, равный 2...10; Ь - глубина залегания пласта, м; Я - радиус зоны гидравлической обработки, м; с -скорость ударной волны в жидкости, м/с.
В начале указанного интервала времени в течение (Ь+Я)/с реализуется явление гидравлического удара. В течение такого же времени реализуется фаза растяжения. Поэтому длительность одного цикла сжатия-растяжения составляет 2'(Ь+Я)/с. В идеальном случае следовало бы производить гидрообработку, используя только первую фазу сжатия-растяжения, однако на практике такой режим гидрообработки трудно осуществим, так как процесс перекрытия-открытия заслонки нельзя осуществить мгновенно. Поэтому, несмотря на затухание амплитуды, необходимо реализовать, по крайней мере, пять циклов сжатия-растяжения, что объясняет верхнюю границу коэффициента, равного к = 10.
Таким образом, обоснованы параметры гидродинамческого воздействия на угольный пласт на стадии свободного истечения воды из скважины, в основу которого положено явление гидравлического удара, возникающего при цикличном перекрытии заслонки. Способ реализуется без дополнительных энергетических затрат, при этом амплитуда гидроударов в превышает давление воды как на начальной, так и конечной стадиях нагнетания в пласт.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сластунов С.В. Заблаговременная дегазация и добыча метана из угольных месторождений. М. :Изд-во МГГУ. 1995. 441с.
2. Киселев П.Г. Гидравлика: Основы механики жидкости. Учеб.пособие для вузов. - М.: Энергия, 1980.360с.
__ Коротко об авторак
Каркашадзе Гиоргий Григолович — зам. проректора по научной работе Московского государственного горного университета.
