Обоснование технологии подготовки газоносного угольного пласта на базе комплексного воздействия

УДК 622.2

М.В. Павленко

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ ГАЗОНОСНОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА НА БАЗЕ КОМПЛЕКСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Основной проблемой повышении газоотдачи из угольного пласта является низкая его проницаемость. Рассмотрена проблема формирования зоны повышенной трещиновато-сти с применением вибрационного воздействия в комплексе с гидравлическим воздействием на низкопроницаемый газоносный угольный пласт. Использование волнового метода на заключительной стадии комплексного воздействия для интенсификации процесса образования новых систем трещин в сочетании с проведенным предварительным гидровоздействием позволяет увеличить степень трещиноватости, что обеспечит интенсивную метаноотдачу из удаленных зон угольного пласта. В качестве исследовательской задачи была определена попытка оценить применение комплексной технологии с использованием вибрационного воздействия на заключительной стадии для получения требуемого эффекта для реализации поставленной задачи.

Ключевые слова: обоснование, вибрация, формирование, зона, скважина, подготовка, технология, частота, метан, угольный пласт, стадия.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-3-0-91-97

Проблема повышения эффективности метаноотдачи — одна из основных в деятельности угледобывающих предприятий, а также в работе специалистов и ученых. На основании анализа источников, а также других работ можно сделать вывод о том, что способы управления эффективностью газоотдачи из низкопроницаемых угольных пластов исключительно разнообразны и в некотором приближении включают такие позиции, как методы, технологии, совершенствование и обновление аппаратуры, а также комплексные подходы к решению этой проблемы.

Применяемые в настоящее время технологические решения по заблаговременной дегазации газоносного уголь-

ных пластов при подготовке к безопасной и эффективной выемке не дают желаемого результата, а в ряде случаев становятся неприемлемыми. В этой связи проведение исследований в направлении разработки новых технологических решений по увеличению проницаемости для интенсификации метаноотдачи из низкопроницаемых угольных пластов, которые бы не отличались высокой стоимостью и сложностью осуществления процесса представляют особый интерес.

Одним из наиболее перспективных направлений совершенствования технологии подготовки угольного пласта, является комплексный метод с использованием вибрационного воздействия на заключительной стадии после гидро-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 3. С. 91-97. © М.В. Павленко. 2018.

Скважина вибровоздействия

Дегазационные скважины

Рис. 1. Технологическая схема бурения дегазационных и вибрационных скважин при отработке угольного пласта

воздействия с применением как вертикальных скважин с поверхности, так и пластовых скважин из подземных выработок.

Применение гидроразрыва угольного пласта из откаточного штрека с чередованием скважин вибровоздействия, способствует повышению эффективности пластовой дегазации и приводит к сокращению сроков ее проведения.

При столбовой системе разработки скважины бурятся из откаточного штрека разрабатываемого пласта (рис. 1) на угольный пласт в зону, не разгруженную от горного давления. При системе разработки длинными столбами по простиранию, когда штреки после прохода лавы погашаются, вибрационные скважины бурятся навстречу движению лавы или под углом 45—90° к вертикальной оси лавы, а дегазационные скважины чередуются с вибрационными и бурятся с углами 20—30°между ними.

Осуществление процесса вибрационного воздействия, для подготовки месторождения к интенсивной дегазации, потребовало проведения эксперимента через скважину № 4447 с дневной поверхности на полигоне шахты «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь».

На поле шахты «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» при вибровоздействии

через скважину № 4447 с поверхности после гидровоздействия изучалось влияние комплексной технологии заблаговременной подготовки угольного массива, для разработки технологических решений по подготовке пласта к эффективной и безопасной отработке.

Технологическая схема вибрационного воздействия через скважины с поверхности при заблаговременной подготовке пласта «Тройного» 2-го горизонта на поле шахты «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» представлена на рис. 2.

Так, в процессе производственного моделирования на скважине № 4447 шахта «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь» установлено поглощение угольным массивом воды, что указывает на эффективность воздействия.

В связи с этим предложена следующая схема воздействия.

На первом этап работ по вибровоздействию в пределах расстояния первых длин волн используется частота 4—6 Гц, при этом образуется дополнительная сеть трещин, которая заполняется водой.

На втором этапе, при котором деформация сжатия в угольном массиве сменяется деформацией растяжения, используется частота 10—15 Гц, идет интенсивный процесс трещинообразования в блочном массиве.

Рис. 2. Технологическая схема дегазации выемочных участков пласта «Тройного» 2-го горизонта шахты «Комсомольская» ОАО «ВУ» с использованием комплексного воздействия и скважин с поверхности

На третьем, заключительном этапе, когда размеры блочно-трещиноватого массива составляют 0,1—0,3 м и вибровоздействие выполняется на частоте 30— 40 Гц, закачивается жидкость в поры и микропоры, обеспечивается глубокая пропитка массива и объемное насыщение угольного массива водой.

Вибрационная обработка угольного пласта заключается в облучении газонасыщенного массива вибрационным полем (>1,0 Вт/м2), при распространении которого возникают эффекты, способствующие интенсификации трещинообра-зования и притока метана из пласта в скважину.

Так, при выполнения вибровоздействия через скважину после гидровоздействия с применением двух электродвигателей суммарной мощностью 20 кВт, по расчетным данным позволило создать вибрационное поле 1,1—1,3 Вт/м2 на расстоянии 50 м от скважины.

В центр научных поисков выдвигается обоснование механизма вибровоздействия на частотах, вызывающие резонанс в угольном пласте и обеспечивающий создание максимально благоприятных условий для возникновения новых систем трещин для устойчивой метаноотдачи из угольного массива.

Поэтому требуется научное обоснование подходов к формированию условий и предпосылок применения вибрационного метода воздействия на низкопро-ницамый угольный пласт, разработке организационных механизмов технологии воздействия.

Механизм вибровоздействия на угольный пласт, в который предварительно закачана жидкость заключается, в следующем. В процессе гидровоздействия создается одна, реже две гидропроводные системы трещин, при этом вода поступает в мелкие поры и трещины как не смачиваемая фаза в низкопроницаемом массиве и заполняет нижнюю часть

пласта, однако в процессе вибровоздействия дренируется по объему угольного массива и поступает в верхнюю часть пласта под действием вибрационной энергии. Если собственная частота системы «уголь-жидкость» совпадает с частотой вибрационного поля, то возникает резонанс, и вибрационная энергия перекачивается в кинетическую энергию жидкости в пласте, что приводит ее к перемещению в трещине.

Эти особенности воздействия на жидкость привели к выводу о целесообразности совмещения процесса гидровоздействия и вибрационного знакопеременного воздействия с целью совмещения их основных достоинств.

В процессе вибровоздействия возможно снижение пластового давления в районе влияния скважин. При таком снижении давления может быть превышен порог прочности угольного пласта на сжатие и возможна упругая деформация, при которой трещиноватость массива может существенно увеличиться. В этом случае соответственно должны измениться и собственные частоты блочно-трещино-ватого пласта, что приведет к изменению степени вибрационного воздействия.

Формирование и реализация нового комплексного метода — процесс объективно необходимый в условиях углубление горных работ сопутствующих увеличению горного давления, снижения газопроницаемости и увеличения газоносности, а также трансформации энергии волнового воздействия для создания трещин в угольном массиве.

Задача перехода к комплексному методу воздействия на угольный пласт высокого качества, основанному на технологии использовании интенсивного фактора гидровоздействия на начальной стадии, то существует объективная необходимость применения вибрационного воздействия на заключительной стадии, что эффективно и целесообразно.

Применение комплексного воздействия связано с пересмотром многих положений существующих теорий эффективности разработки и применения методов, с позиции их адаптации в современных условиях заблаговременной подготовки месторождения.

Изучению взаимовлияния факторов гидровоздействия и последующего вибровоздействия на заключительной стадии, уделено большое внимание в проводимых исследованиях, что позволило предложить новые технологии для заблаговременной высокоэффективной и безопасной подготовки угольного пласта.

О существенном изменении фильт-рационно-емкостных свойств угольного массива в ходе виброволнового воздействия свидетельствует проведенное промышленное моделирование на шахтном поле, что говорит в пользу увеличения степени пропитки угля и объемного насыщения пласта жидкостью при комплексном воздействии.

Выбор проектного решения по данному варианту подготовки шахтного поля, ведущее в конечном итоге к безопасной и эффективной выемке угольного пласта, связанное к конструктивным и пространственным особенностям, тому или иному способу воздействия и его последовательности выполнения, представляет собой качественный характер комплексного воздействия.

Разработка вариантов технологических схем подготовки шахтного поля сводится к составлению проект по снижению газоносности угольного пласта, который включает: способ бурения и схема расположения скважин, количество закачанной жидкости, время выдержки, требуемый уровень понижения газоносности пласта. Такое множество вариантов технологических цепочек, качественно отличающихся на какой-то стадии воздействия, является множеством расчетных технологических вариантов.

Поэтому рациональное сочетание отдельных факторов может повысить эффективность воздействия на низкопроницаемый пласт за счет сложения эффектов каждого из них, что усилит конечный результат.

Поэтому, прохождение вибрационных волн через жидкость закачанную в пласт может, при достаточной частоте и амплитуде, приводит к многократному (даже в десятки раз) возрастанию скорости фильтрации.

Необходимым условием испытания технологии вибровоздействия является наличие нескольких скважин, в которых выполняются гидровоздействие и вибрационные воздействия с возможностью регистрации изменений гидродинамики в скважине. Наблюдения при вибровоздействии проводятся для выбора приоритетных частот на конкретный угольный пласт. Вибрационный мониторинг осуществляется в процессе проведения работ по вибровоздействию через скважину с дневной поверхности и служит средством обратной связи, позволяющим отслеживать реакцию пласта на вибрационное воздействие. Поэтому идеальным условием является наличие как минимум двух скважин, в одной из которых осуществляются вибрационное воздействие, во второй — оценка результатов реакции обрабатываемого пласта с момента первых воздействий на этапе определения приоритетных частот вибровоздействия и до окончания работ.

Таким образом, на основании рассмотрения совокупности методов и технологий управления эффективностью трещинообразования в массиве можно отметить, что указанная совокупность совместных активных воздействий представляет собой сложную и взаимосвязанную систему управляющих воздействий, в которой низкопроницаемый угольный пласт выступает в качестве объекта управления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Опарин В. Н., Симонов Б. Ф., Юшкин В. Ф. и др. Геомеханические и технические основы увеличения нефтеотдачи пластов в виброволновых технологиях. — Новосибирск: Наука, 2010.

2. Макарюк Н. В., Клишин В. И., Золотых С. С. Исследование влияния виброчувствительности горных пород на метаноотдачу угольных пластов при вибросейсмическом воздействии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2002. — № 6. — С. 66—69.

3. Вахитов Г. Г., Симкин Э. М. Использование физических полей для извлечения нефти из пластов. — М.: Недра, 1985. — С. 230.

4. Гадиев С. М. Использование вибрации при добыче нефти. — М.: Недра, 1977. — 180 с.

5. Курленя М. В., Симонов Б. Ф., Сердюков С. В., Чередников E. H., Колодяжный С.А. Об эффективности вибросейсмического воздействия с дневной поверхности на нефтепродук-тивные пласты // ФТПРПИ. — 1998. — № 1. — С. 14—17.

6. Ганиев Р. Ф., Петров С.А., Украинский А. Е. О резонансном характере распределения волнового поля в призабойной зоне скважины // Вибротехника. — 1989. — № 62. — С. 82—87.

7. Лопухов Г.П. О механизме вибросейсмического воздействия на нефтяной пласт, представленный иерархической блочной средой / Ежегодник ВНИИнефть. —1996. — С. 63—90.

8. Павленко М. В. и др. Вибрационное воздействие через скважину с дневной поверхности с целью увеличения проницаемости угольного массива // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2001. — № 1. — С. 40—43.

9. Odeh A.S. Mathematical modeling of the behavior of hydrocarbon reservoirs the present and the future / Advances in transport phenomena in porous media. Bear J., Corapcioglu M. Y. (eds.). Martinus Nijhoff Publ., 1987, pp. 821—848.

10. Duhon R. D. An investigation of the effect of ultrasonic energy on the flow of fluids in porous media. Ph.D. thesis, Univ. of Oklahoma. 1964.

11. Shmonov V., Vitovtova V., Zharikov A. Experimental study of seismic oscillation effect on rock permeability under high temperature and pressure // Int. J. Rock Mech. and Mm. Science. 1999, no 3. V. 36. Pp. 405—412.

12. Dawe R.A., Mahers E.G., Williams J.K. Pore scale physical modeling of transport phenomena in porous media / Advances in transport phenomena in porous media. Bear J., Corapcioglu M. Y. (eds.). Martinus Nijhoff Publ., 1987, pp. 48—76. EES

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Павленко Михаил Васильевич — кандидат технических наук, доцент, e-mail: mihail_mggy@mail.ru, НИТУ «МИСиС».

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 3, pp. 91-97.

M.V. Pavlenko

SUBSTANTIATION OF GAS-BEARING COAL PREPARATION TECHNOLOGY BASED ON INTEGRATED TREATMENT

The main complication in the enhancement of coalbed gas recovery is low permeability of coal. This article is devoted to generation of high fracture zone in a low-permeable gas-containing coal bed subjected to integrated vibration and hydraulic treatment. Wave action at the closing stage of the integrated treatment for the intensified generation of new systems of fractures in combination with the preliminary hydraulic treatment increases fracture porosity, which enhances methane recovery from remote zones of coal beds. The author has set the research task to evaluate application of the integrated technology with the vibration treatment at the closing stage for reaching the wanted effect of the implementation.

Key words: substantiation, vibration, generation, zone, well, preparation, technology, frequency, methane, coal bed, stage.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-3-0-91-97

AUTHOR

Pavlenko M.V., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: mihail_mggy@mail.ru, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Oparin V. N., Simonov B. F., Yushkin V. F. Geomekhanicheskie i tekhnicheskie osnovy uveli-cheniya nefteotdachiplastov v vibrovolnovykh tekhnologiyakh (Geomechanical and technical framework of enhanced oil recovery in wave vibration technologies), Novosibirsk, Nauka, 2010.

2. Makaryuk N. V., Klishin V. I., Zolotykh S. S. Gornyyinformatsionno-analiticheskiybyulleten'. 2002, no 6, pp. 66-69.

3. Vakhitov G. G., Simkin E. M. Ispol'zovanie fizicheskikh poley dlya izvlecheniya nefti iz plastov (Use of physical fields for oil recovery), Moscow, Nedra, 1985, pp. 230.

4. Gadiev S. M. Ispol'zovanie vibratsii pri dobyche nefti (Application of vibration in oil production), Moscow, Nedra, 1977, 180 p.

5. Kurlenya M. V., Simonov B. F., Serdyukov S. V., Cherednikov E. H., Kolodyazhnyy S. A. Fiziko-tekh-nicheskiye problemy razrabotki poleznykh iskopayemykh. 1998, no 1, pp. 14-17.

6. Ganiev R. F., Petrov S. A., Ukrainskiy A. E. Vibrotekhnika. 1989, no 62, pp. 82-87.

7. Lopukhov G. P. Ezhegodnik VNIIneft'. 1996, pp. 63-90.

8. Pavlenko M. V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2001, no 1, pp. 40—43.

9. Odeh A. S. Mathematical modeling of the behavior of hydrocarbon reservoirs the present and the future. Advances in transport phenomena in porous media. Bear J., Corapcioglu M. Y. (eds.). Martinus Nijhoff Publ., 1987, pp. 821—848.

10. Duhon R. D. An investigation of the effect of ultrasonic energy on the flow of fluids in porous media. Ph.D. thesis, Univ. of Oklahoma. 1964.

11. Shmonov V., Vitovtova V., Zharikov A. Experimental study of seismic oscillation effect on rock permeability under high temperature and pressure. Int. J. Rock Mech. and Mm. Science. 1999, no 3. Vol. 36. Pp. 405—412.

12. Dawe R. A., Mahers E. G., Williams J. K. Pore scale physical modeling of transport phenomena in porous media. Advances in transport phenomena in porous media. Bear J., Corapcioglu M. Y. (eds.). Martinus Nijhoff Publ., 1987, pp. 48—76.

FIGURES

Fig. 1. Degassing and vibration hole drilling chart in coal mining.

Fig. 2. Gas drainage flow chart for Troinoi coal bed extraction areas on Level 2 of Komsomol Mine,

VU, using integrated treatment and surface holes.

&_

РУКОПИСИ, ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО СНИЖЕНИЮ УРОВНЯ ДУГОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СЕТИ 6 КВ ФИЛИАЛА «КРАСНОБРОДСКИЙ УГОЛЬНЫЙ РАЗРЕЗ»

(№ 1115/03-18 от 15.01.2018; 5 с.) Пушкин Николай Владимирович — магистрант, e-mail: pushkinnv@krbr.kru.ru, Технический университет УГМК, г. Верхняя Пышма.

Целью работы является разработка технических решений, направленных на снижение уровня дуговых перенапряжений в распределительных сетях 6—10 кВ филиала «Красноброд-ский угольный разрез».

Ключевые слова: однофазные замыкания на землю, дуговые перенапряжения, кратность перенапряжений, режим нейтрали.

DEVELOPMENT OF TECHNICAL SOLUTIONS TO REDUCE ARC OVERVOLTAGE IN THE 6 KV NETWORK OF THE BRANCH «KRASNOBRODSKY COAL MINE»

Pushkin N.V., Graduate Student, Technical University of UMMC, Verkhnyaya Pyshma, Russia.

The aim of this work is to develop technical solutions aimed at reducing the level of are surges in distribution networks 6—10 kV of the branch of «Krasnobrodsky coal mine».

Key words: single-phase earth fault, arc, surge, the multiplicity of overvoltage, mode neutral.