Обоснование параметров комплексной дегазации разрабатываемого пласта

УДК 622.324.5

© К. С. Коликов, М.Г. Лупий, М. А. Волков, 2011

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМПЛЕКСНОЙ ДЕГАЗАЦИИ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО ПЛАСТА

Рассмотрена задача оптимизации параметров комплексной дегазации угольного пласта в зонах гидродинамического воздействия на основе использования модели фильтрации газа в блочно-трещиноватой среде. Определены параметры комплексной дегазации для условий шахты Ко-тинская ОАО «СУЭК-Кузбасс».

Ключевые слова: дегазация комплексная, проницаемость, гидрорасчленение, газовыделение, среда блочно-трещиноватая, съем, скважины, оптимизация.

В условиях высокопроизводительной отработки угля и ограниченности времени дегазации перспективу приобретают способы предусматривающие повышение проницаемости угольных пластов. Одним из них является комплексная дегазация угольного пласта с использованием пластовых скважин в зонах гидрорасчленения. Основные технологические требования к дегазации могут быть сформулированы следующим образом:

1) глубокая равномерная дегазация угленосной толщи по всему шахтному полю;

2) разделение во времени и пространстве горных и дегазационных работ;

3) обеспечение безопасности горных работ;

4) экономическая состоятельность.

Данная схема дегазации требует определения параметров двух составляющих технологии: параметров гидрорасчленения и параметров заложения пластовых скважин.

Основными параметрами воздействия являются радиус обработки, темп закачки рабочей жидкости и объем закачки. Первые два параметра определяются в соответствии с рекомендациями «Отраслевого руководства по заблаговременной

дегазационной подготовке высокогазоносных угольных пластов к безопасной и эффективной отработке».

Отличительной особенностью комплексной дегазации в условиях ограниченного срока извлечения метана является необходимость минимизации объемов закачки рабочей жидкости при обеспечении проектного радиуса воздействия.

Для решения данного вопроса необходимо учитывать структуру угольного пласта в зонах гидродинамического воздействия, в частности такие параметры как размер блоков и раскрытие трещин. Данному вопросу было посвящено достаточно много исследований [1,2]. В соответствии с результатами этих исследований размер блока в основном определяется мощностью и глубиной залегания пласта. Например, для условий шахты «Котинская» прогнозный размер блока в соответствии с результатами представленными в [2] составят от 6 до 10 м. Раскрытие трещин изменяется в достаточно широком диапазоне, в среднем изменяясь от 0,1 до 2 мм. Большое влияние оказывает глубина залегания пласта.

С учетом этих значений объем закачки рабочей жидкости определяется исходя из условия заполнения магистральных трещин для прогнозных значений размеров блоков и раскрытия трещин по формуле

е =

Ь

где Я — радиус влияния скважины; к — мощность пласта; й — раскрытие трещин; Ь — средний размер блока.

Гидрорасчленение угольного пласта обеспечивает кардинальное повышение проницаемости угольного пласта. Извлечение метана осуществляется через пластовые скважины, параметры заложения которых определяется требуемым снижением газоносности, сроком службы скважин и эффективностью воздействия.

Для решения задачи о притоке газа к пластовой скважине использовалась модель фильтрации газа в блочно-трещиноватой среде, предложенная Г. Д. Георгиевым [3]. Для условий

угольного пласта, подвергнутого гидрорасчленению, попытка аналитического решения данной задачи осуществлено в работе [1], однако отсутствие развитого программного обеспечения и доступных высокопроизводительных компьютеров не позволило довести задачу до логического завершения.

Фильтрация газа в блочно-трещиноватой среде описывается системой дифференциальных уравнений с начальными и граничными условиями следующего вида:

р 2 _ р 2 = дР1 К д 2 Р2

21 а1 Эг 2а1 Эх2

Р 2 _ Р 2 -_ тЦ Эр^

а2 Эг

Р

Р(0, г) - Р0,

ЭР1

-0

Эх

обозначения даны в табл. 1.

Таблица 1

Обозначение Определение Единицы

параметра параметра измерения

Р1 Текущее давление в трещинах МПа

Р2 Текущее давление в блоках МПа

г Время сут

х Расстояние от скважины м

Рпл Пластовое давление МПа

1 Расстояние между подземными пластовыми скважинами м

т1 Пористость трещин

т2 «Фиктивная пористость» блоков

Ц Вязкость газа Па* с

К1 Трещинная проницаемость м2

а1 Коэффициент газоотдачи блоков

Р0 Атмосферное давление МПа

р0 Плотность газа при н.у. кг/м3

Так как для системы уравнений (2) не существует аналитического решения, она решается численно по схеме предложенной в [4].

В осесимметричной постановке процесс перемещения газа из угольного пласта в скважину в полярной системе координат описывается уравнением:

_Э_

дг

дил

дг

ди

э7

где и = Р*Р, Р — давление газа, Па; а — коэффициент пьезопроводности, м2/с; г — полярный радиус, м; t — время, с.

Угольный пласт считается изотропным.

Однако при рассмотрении системы пластовых скважин получается следующая геометрическая конфигурация задачи (рис. 1). При такой конфигурации нельзя считать задачу осесимметричной.

О

О

н

1

Рис. 1. Геометрическая конфигурация скважин

В силу симметрии можно ограничиться рассмотрением следующей задачи (рис. 2).

Рис. 2. Геометрическая

конфигурация задачи о перемещении газа из угольного пласта в пластовые скважины

г

Ь

Для приближенного решения задачи, представленной на рис. 1, можно последовательно решить ряд осесимметричных задач для каждого полярного угла.

Рассмотрим задачу со следующими краевыми условиями. Начальное условие: давление газа в угольном пласте в начале процесса распределено равномерно и составляет Рю, т.е.

и

Граничные условия: давление газа на стенках скважины радиусом г0 и равно Р0, т.е.

и

на одинаковом расстоянии между скважинами и на границе с кровлей и почвой

ди (гі, і) = дг

0.

Для решения уравнения (3) с начальными и граничными условиями (4—6) выбрана неявная нелинейная разностная схема с опережением, которая абсолютно устойчива и монотонна при любых шагах. Полученное в результате замены производных конечными разностями уравнение решается методом прогонки.

Для набора полярных углов с шагом 1о необходимо решить задачу (3) с соответствующим радиусом г1 в граничном условии (6).

Дебит метана из скважины радиусом г0 на участке угольного пласта длиной / определяется по формуле:

^ о 1 С йР 0 = -2лг0 /р0 —— ц аг

г=г0, кг/с,

где ро — плотность газа на границе со стенкой скважины, кг/м3; / — длина пластовой скважины, м; С — коэффициент проницаемости угля, м2; ц — динамическая вязкость метана, Па* с.

Для расчета газовыделения из скважины нужно усреднить дебит метана для набора полярных углов и численно взять интеграл по времени функционирования скважины.

Таким образом, данная модель при известном расстоянии между пластовыми скважинами позволяет произвести расчет газовыделения. Можно решить и обратную задачу: по требуемому съему метана на тонну угля и времени функционирования скважины подобрать удовлетворяющее этим условиям расстояние между скважинами.

Обратная задача поиска коэффициентов пьезопроводности и проницаемости угля по известным данным о дебите метана на работающих скважинах.

Наибольшую трудность при решении задачи состоит в оценке коэффициентов пьезопроводности и проницаемости угля. Сделать оценку можно на основе известных данных о дебите метана на работающих скважинах.

Постановка задачи выглядит следующим образом. Необходимо определить такие коэффициенты, которые обеспечивали бы минимум среднеквадратического отклонения опытных данных дебита от расчетных для известного расстояния между пластовыми скважинами. Таким образом, необходимо решить задачу двумерной минимизации среднеквадратического отклонения.

Программно поставленная задача решается методом покоординатного спуска. Для решения задачи необходимо иметь опытные данные о дебите метана и задать допустимые интервалы изменения искомых коэффициентов.

Решение обратной задачи является неотъемлемой частью расчета оптимального расстояния между подземными пластовыми скважинами.

В ходе решения данной задачи получают распределения давления в окрестности пластовой скважины в пространстве и во времени.

Решение данной задачи для условий шахты «Котинская» показало возможность обеспечения нагрузки на очистной забой на уровне 30—35 тыс.т/мес. При расстоянии между пластовыми скважинами 14—16 м и сроке дегазации 5—6 мес.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гуревич Ю.С. Извлечение кондиционного метана при подземной разработке угольных месторождений и технологические решения по его использованию: Дисс. д.т.н. — М.: МГИ, 1990. — 531 с.

2. Коликов К.С. Повышение безопасности разработки угольных месторождений и комплексное освоение их ресурсов на основе заблаговременного извлечения метана. Дисс. д.т.н. — М.: МГГУ. 2002. — 305 с.

3. Георгиев Г.Д. Особенности нестационарной фильтрации газа в трещиновато-пористых коллекторах: Дисс. канд. техн. наук. — М., 1966.

4. Сысенко В.А. Снижение выбросов парниковых газов при разработке углегазовых месторождений на основе совершенствования технологии гидрорасчленения угольных пластов. Дисс. канд. техн. наук. — М.: МГГУ, 2005. — 164 с.

УДК 622.324.5 © С.В. Сластунов, К.С. Коликов,

Ю.М. Иванов, Е.В. Мазаник, 2011

ОПЫТ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ДЕГАЗАЦИИ УГЛЕПОРОДНЫХ МАССИВОВ

Рассмотрен опыт промышленной дегазации углепородных массивов и выделены перспективные направления с учетом тенденций развития угольной отрасли. Дегазация является не только основой обеспечения метано-безопасности, но и эффективного использования угольного метана. Ключевые слова: угледобыча, метанобезопасность, вентиляция, нагрузки, дегазация, способы, анализ эффективности, перспективы, утилизация.

Перспективы угольной отрасли связаны с достижением нагрузок на лаву 10000 т/сут и значительно более (20—25 тыс.т/сут — например, шахты «Котинская», им. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс»), что позволяет применяемая техника и технология добычи. Однако в этом случае резко обостряются проблемы воспроизводства фронта очистных работ и безопасности, т.к. практически исчерпаны возможности вентиляции. Обостряются и вопросы экологии, одним из которых является выбросы метана в атмосферу. Все это требует перехода на качественно новый уровень ведения работ по дегазации угольных шахт и утилизации извлекаемого метана.

Первые сведения о дегазации суфлярных выделений относятся к XVII в. (Китай) и XVIII в. (Англия). В нашей стране