Дегазационные явления при вибровоздействии в газонасыщенном низкопроницаемом угольном массиве

© М.В. Павленко, 2013

УДК 662.272.63 М.В. Павленко

ДЕГАЗАЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ

ПРИ ВИБРОВОЗДЕЙСТВИИ В ГАЗОНАСЫ1ЩЕННОМ НИЗКОПРОНИЦАЕМОМ УГОЛЬНОМ МАССИВЕ

Одним из перспективных методов заблаговременной подготовки угольных пластов к эффективной и безопасной отработке является вибрационное воздействие после проведенного гидродинамического воздействия. Такой метод подразумевает создание значительной системы трещин при вибровоздействии в активном интервале частот, для интенсивной дегазации угольного пласта.

Ключевые слова: дегазация, градиент, фильтрация, трещины, пористость, явление, массив.

Ш Щ рименение волновых и коЛ Л лебательных воздействий на газонасыщенный уголь позволило открыть ряд явлений и эффектов. Так, например, было установлено, что при вибровоздействии на газоносный уголь наступает повышенное метано-выделение относительно первоначального, при этом изменения приобретают различные значения в зависимости от частоты. Такого рода явления могут происходить как в проницаемых, так и в низкопроницаемых угольных пластах. Эти эффекты необходимы для осуществления различного рода технологических процессов с целью интенсификации метаноотдачи при заблаговременной подготовке угольных пластов для эффективной и безопасной их отработке.

Одним из главных направлений повышения эффективности метаноотдачи из низкопроницаемого угольного пласта является совершенствование технологии подготовки зоны гидрорасчленения на основе вибровоздействия на угольный газоносный массив, обеспечивающего увеличение трещиноватости и интенсифика-

цию притока метана, при заблаговременной подготовке угольного пласта к эффективной и безопасной отработке.

Обратимся к опыту работ и полученных результатов в этой области на нефтяных месторождениях. Вибрационное воздействие находит широкое применение для интенсификации добычи нефти, причем уже не только в полевых экспериментах, но и на промышленном уровне.

Ранее было принято считать установленной большую эффективность воздействия упругих волн вибрации на призабойные зоны нефтяных скважин. В ряде работ утверждается, что коэффициент успешности применения акустических воздействий на нефтяные пласты составляет 40 %. Под успешностью воздействия на пласт понимается возрастание деби-тов добывающих скважин более, чем на 70 %.

Изучение влияния землетрясений на режим минеральных источников показало, что даже слабые или удаленные землетрясения вызывают изменения их дебита, температуры, минерального состава. Известно, также,

и влияние землетрясений на уровень добычи нефти через скважины.

В этих экспериментах было обнаружено, что реакция флюидных систем на вибрационное воздействие существенно зависит от частоты волн, генерируемых источником. Эффект наиболее существен на избирательных частотах, характерных для каждого пласта («доминантных частотах»).

Существование «доминантных частот» было подтверждено и в других экспериментах. Причем оказалось, что различным нефтяным месторождениям соответствуют различные доминантные частоты. Для объяснения этого эффекта было высказано предположение о таком явлении, как трансформация энергии вибрационных колебаний в колебательные движения геоблоков, происходящая на доминантных частотах.

Выбор метода воздействия на газоносный угольный пласта осуществляется, в основном, эмпирически, поскольку экспериментальные иссле-до-вания всегда связаны с большими затратами, вследствие чего не всегда удается выбрать эффективные гидродинамические и вибрационные режимы обработки угля.

Практика проведения различных воздействий показывает, что среди множества методов обработки угольного пласта хорошо зарекомендовал себя способ создания условий дренирования метана угольного массива, после проведенного вибровоздействия через скважину на угольный пласт.

Созданная при непосредственном участии автора вибрационная установка позволяет осуществлять воздействие после гидрорасчленения на угольный пласт на различных ре-

жимах без смены устьевого оборудования.

Математическое моделирование вибрационного воздействия через скважину с дневной поверхности на угольный пласт и последующий расчет параметров гидродинамики на участке выполненного гидрорасчленения, характеризует изменение фильтрации жидкости в пласт и в свою очередь позволяет, используя системный подход, анализировать динамику изменения расходов и давлений в различных частях обрабатываемого угольного пласта, определить условия и рассчитать кинетику фильтрационных процессов в угольном пласте. Это дает возможность выбора эффективных режимов при воздействии через скважину с дневной поверхности, и находить новые технологические решения в вибрационной технологии воздействия на низкопроницаемый газонасыщенный пласт.

Фактически параллельно прово-дись работы по исследованию оценки влияния частот на степень мета-ноотдачи из угля, возникающей при различных воздействиях на уголь при частоте, при вибровоздействии в диапазоне частот 1—100 Гц, под действием вибратора. Было обнаружено, что при любом первоначальном вибрационном воздействии по мере изменения частоты в установке метановыделение имеет максимум, приближающийся к некоторой определенной частоте, лежащей в области от 30—40 Гц.

Для объяснения установленного диапазона частотного оптимума предположили, что скорость трещи-нообразования в блоках угля, протекающих в угольном пласте при вибрационном воздействии, зависит от частоты распространяющейся

волны. Данный эффект связан с внутренними структурными резо-нансами — когда частота распространяющейся волны совпадает с частотой внутреннего структурного резонанса угля, в этом случае её воздействие на среду оказывается наиболее эффективной.

По кинетическим закономерностям процесс дегазации в процессе вибровоздействия можно разделить на две стадии. На первой стадии ме-таноотдача, начинающаяся при согласованных колебаниях блоков угля и идет без заметных разрушений в блоках, и в течение нескольких минут количество выделившегося метана увеличивается в несколько раз. Достигаемое при этом трещинооб-разование является исходной стадией для второй, более быстрой стадии дегазации, протекающей в условиях значительного трещинообразо-вания, и длительность этой стадии определяет общую продолжительность дегазации. Так как первая стадия значительно короче второй и в это время удаляется меньшая часть метана из угля, поэтому пришли к выводу о решающем значении для всего процесса дегазации принадлежит второй стадии. Так как вибрационное воздействие через скважину осуществляется после гидрорасчленения, а все эти способы воздействия направлены на образования трещинообразования, поэтому практически нет необходимости проведения расчета первой стадии. Механизм вибрационного процесса на завершающей стадии можно рассматривать как сложный совмещенный процесс, когда одновременно в угольном массиве происходит увеличение трещинообразования, а также наблюдается балансовое изменение количества жидкости в

угольном пласте за счет переноса потоков жидкости во вновь образовавшуюся трещиновато пористую структуру угольного пласта. Явления, сопровождающиеся действием волновых полей в угольном пласте при движении газа и жидкостей в трещинах массива требует дополнительного исследования. Многочисленные эффекты возникают также при движении газоводяных смесей, с наличием химически активных веществ (ПАВ или ХАВ), в трещиноватой среде угольного массива. В пористой среде газожидкостная смесь движется в капиллярах переменного сечения, кроме того, сама жидкость благодаря волнам находящаяся в контакте с углем получает значительную скорость движения в трещиновато-пористой среде пласта, что способствует глубокому насыщению и объемной пропитке угля. Наряду с этим пульсация давления в волнах взаимодействуют с поверхностью угля, и приводит к локальному повышению давления в зоне движения жидкости закачанной в угольный пласт, что способствует раскрытию дополнительной системы трещин.

Заманчивые перспективы практических приложений волновой технологии заставили обратиться к разработке технологических схем обработки низкопроницаемых угольных пластов. Одними из центральных эффектов при этом является эффект резонансного явления и значительный рост трещин и связанные эффекты с повышением метановыделения из угольного массива, а также учет различных эффектов преобразования волновых и колебательных движений в направленные движения в жидкости пласте. Использование этих эффектов для осуществления процессов трещинообразоваия позволит в буду-

щем сформулировать фундаментальные принципы волновых технологий в угольных пластах. Они существенно отличают волновую технологию обработки угольных пластов от традиционных технологий, основанных на использовании технологии гидрорасчленения и физико-химического воздействия.

Итак, технология вибрационной обработки пласта относится к типу волновых методов обработки зоны угольного пласта через скважину и предназначена для увеличения филь-трационно-емкостных характеристик обработанной зоны угольного пласта, в процессе насыщения массива жидкостью после проведенного гидрорасчленения.

Областью рационального использования вибрационной технологии заблаговременной подготовки пласта являются:

— угольные пласты, у которых зона пласта имеет низкие трещиновато пористые характеристики по сравнению с высокопроницаемой зоной пласта;

— угольные пласты, у которых значительная часть продуктивного пласта оказалась в зоне объемной пропитки в процессе гидрорасчленения;

— угольные пласты, у которых наблюдается низкая газоотдача после выполненного гидрорасчленения;

— угольные пласты с плохой газоотдачей в связи с низкой прони-

цаемостью после ранее проведенных воздействий на угольную толщу пласта.

Как видно из перечисления рекомендуемых областей применения технологий, они практически полностью преследуют общие цели, поставленные перед ранее применяемыми методами воздействия - это создание условий для эффективной газоотдачи угольного пласта.

Окончательное решение о целесообразности применения технологии вибрационного воздействия принимается по результатам анализа имеющихся экспериментальных данных и эффективности проведенного воздействия. Тем самым выбираются технологические решения воздействия на угольный пласт, а также рассчитывают оптимальные режимы вибрационного воздействия по амплитуде и частоте воздействия.

Вибрационная обработка угольного пласта через скважину легко сочетается с таким распространенным методом обработки пласта как гидрорасчленение и физико-химическое воздействие. При этом оба вида воздействия удачно дополняют друг друга, позволяя получить максимально возможный результат при обработке угольного массива, для создания условий для эффективной дегазации низкопроницаемых угольных пластов и безопасной отработки массива угля. ШИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Павленко Михаил Васильевич— кандидат технических наук, доцент, mihail_mggy@mail.ru, Московский государственный горный университет.

А