Способ определения количества газового гидрата, формирующегося в природном каменном угле
METHOD OF DETERMINING AMOUNT OF GAS HYDRATE FORMED IN NATURAL COAL

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при определении газового баланса угольного пласта и прогнозировании внезапных выбросов угля и газа.
Известен способ определения количества газового гидрата [1] в котором образование гидрата осуществляют в песках и кернах пористых осадочных пород в закрытом автоклаве, размещенном в воздушном термостате, при этом образование гидрата инициируется при ступенчатом понижении температуры термостата и фиксируется по падению давления газа в автоклаве. Одновременное измерение температуры и давления позволяет определить условия образования гидрата, а по величине ступени рассчитать количество гидрата.
Недостатком данного способа являются ступенчатый характер понижения температуры и отсутствие записи давления и температуры, что не позволяет с достаточной точностью определить равновесные условия образования гидрата и рассчитать его количество. Другим недостатком является способ подготовки песка и природных кернов, которые предварительно промываются ацетоном, соляной кислотой, а затем промываются и насыщаются дистиллированной водой и после удаления свободной влаги используются в экспериментах. Такая подготовка образцов не позволяет изучить влияние естественной поверхности горных пород на образование гидрата, поскольку гидрат формирует капиллярная влага, находящаяся между зернами горной породы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, осуществляемый с помощью установки «Газогидрат 3М» [2], оборудованной компьютеризированной системой записи экспериментальных данных, устройством для качания автоклава, а также прозрачными стенками, позволяющими визуально наблюдать и изучать процесс образования гидрата в водонефтяных эмульсиях или насыпных средах при изохорическом и изотермическом процессах. Недостатками данного способа является то, что внутрь реакционного объема вода, газ и среда, в которой происходит образование гидрата, подаются отдельно, так что формирование гидрата происходит из влаги, занимающей пространство между частицами или образующей водонефтяную эмульсию. При этом автоклав находится в воздушном термостате, что ограничивает поток тепла через стенки внутрь автоклава и затрудняет изучение фазовых переходов в режиме линейного повышения температуры. Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет определять количество газовых гидратов в каменном угле, имеющим развитую сеть макро-, микро- и переходных пор, куда вода поступает только при определенных условиях.
Целью предполагаемого изобретения является повышение точности определения количества газового гидрата, формирующегося в природных каменных углях.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в определении количества газа, находящегося в форме газового гидрата в природном угле, установлении давления и температуры, при которых происходит разложение газового гидрата, а также сопоставление полученных результатов со свойствами исследуемых образцов природного угля, его фактической влажностью, степенью метаморфизма.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый способ определения количества газового гидрата, формирующегося в природном угле, включает подготовку образца угля и создание влажности образца в диапазоне от 0.4 до 1.0 доли от максимально возможного количества воды путем предварительного высушивания образцов каменного угля крупностью частиц 1,0-2,0 мм при 110°С и выдержки их в эксикаторе с заданной влажностью воздуха, в котором осуществляется сорбция воды до равновесного состояния, загрузку подготовленного угля в автоклав и выдержку угля при высоком давлении газа и низкой температуре, соответствующих условиям стабильности газового гидрата, последующего разложения газового гидрата в природном угле в изохорическом режиме при линейном повышении внешней температуры, при котором каждые 20 секунд измеряют давление газа в автоклаве, температуру на периметре и в центре автоклава, по которым с точностью 0,1°С определяют точки начала и окончания процесса разложения гидрата в природном угле, на основе чего по Р-Т диаграмме более точно измеряют количество газа, полученного при разложении газового гидрата, а количество газового гидрата рассчитывают с учетом стехиометрической формулы.
Предлагаемый способ поясняется схемой и диаграммой. На фиг. 1 показана схема экспериментальной установки, используемой на этапе разложения газового гидрата, сформированного в природном угле на предварительном этапе. На фиг. 2 показана типичная Р-Т диаграмма разложения газового гидрата в природном угле, на которой этап разложения гидрата в нескольких образцах природного угля проявляется в виде ступени повышения давления.
2
3
2
2
Предлагаемый способ определения количества газового гидрата, формирующегося в природном угле, реализуется следующим образом. Образец природного угля измельчают, после чего отбирают фракцию с размером частиц 1.0÷2.0 мм, которую в течении 6 часов при 110°С высушивают в вакуумной печи, затем охлаждают до комнатной температуры и выдерживают до установления постоянной массы в одном из эксикаторов с заданной влажностью воздуха. По изменению массы рассчитывают влажность образцов. Значение влажности воздуха задают насыщенным водносолевым раствором, помещенным в каждый эксикатор: NaCO - 0.91; KCl - 0.84; NaCl - 0.75; KJ -0.69; MnCl - 0.56; NaJ - 0.38; CaBr - 0.17, здесь цифры соответствуют равновесному значению относительной влажности над насыщенным раствором данной соли в долях единицы. Размер частиц угля выбран так, чтобы выдержать баланс между легким доступом газа и воды во внутреннее пространство частиц, а с другой стороны минимизировать влияние внешней поверхности частиц на сорбцию воды и исключить возможность образования гидрата в перемычках и линзах, образующихся в местах контакта частиц угля. Подготовленные образцы угля помещают в автоклав (2) фиг. 1, в котором при соединении краном (3) с внешним баллоном создается высокое давление газа, образующего гидрат (метан, углекислый газ, природный газ), затем автоклав с углем и газом выдерживают более суток при температуре минус 10°C для наработки гидрата, после чего при пониженных температурах автоклав помещают в жидкостный термостат (1) фиг. 1 на котором задают программу повышения температуры теплоносителя с постоянной скоростью, выбранной в диапазоне от 1 до 6°С/час. В автоклаве объемом 90 мл при такой скорости повышения температуры скорость разложения газового гидрата в угле определяется скоростью изменения внешних параметров и при пересечении равновесной кривой происходит полное разложение гидрата. Посредством преобразователей давления (4) и температуры (5, 6), а также многоканального измерителя (7) на протяжении всего эксперимента каждые 20 секунд измеряют и записывают в память компьютера (8) газовое давление внутри автоклава, температуру в центре и по периметру автоклава. При линейном росте внешней температуры начало разложения гидрата соответствует давлению в начале ступени повышения (фиг. 2) и температуре на периметре автоклава, а окончание разложения соответствует давлению в конце перегиба и температуре центра автоклава. Количество газа вычисляют по уравнению реального газа, а количество газового гидрата определяют исходя из увеличения количества газа в газовой фазе автоклава по стехиометрической формуле. Данные о количестве газового гидрата в природном угле могут быть использованы при построении газового баланса угольного пласта и расчете для участков угольных пластов критериев потенциальной опасности по динамическим явлениям.
3
Примером выполнения заявляемого способа (фиг. 2) может служить определение количества гидрата метана, формирующегося в образцах каменного угля, отобранных в Кузнецком угольном бассейне: уголь марки «К» - ш. Первомайская, «ГЖ» - ш. Усковская, «Г» - ш. 7 ноября (далее код Гн), «Г» - ш. им. С.М. Кирова (код Гк). Отобранные образцы угля с крупностью частиц 1.0-2.0 мм высушивали в вакуумной печи, затем каждый из образцов выдерживали в одном из эксикаторов при комнатной температуре, задав, таким образом, влажность угля «К» - 2.26%, «ГЖ» - 4.35%, «Гн» - 4.71%, «Гк» - 7.56%. Заданные значения влажности находятся ниже сорбционной емкости каждого образца. Поочередно, каждый из подготовленных образцов загружали в автоклав (2) фиг.1, охлаждали ниже температуры стабильного существования газового гидрата, затем снимали Р-Т диаграмму процесса повышения внешней температуры с постоянной скоростью. На фиг.2 процесс №1 соответствует разложению гидрата метана в угле марки «К», №2 - «ГЖ», №3 и №4 - «Гн», №6 - «Гк». На диаграмме (фиг.2) видно, что для всех образцов разложение гидрата метана в угле происходит вблизи кривой равновесия гидрата метана (штриховая линия). Измеренное удельное количество газа, вовлекающегося в образование гидрата метана в этих образцах, составило для угля «К» - 1.4, «ГЖ» - 1.0, «Гн» - 1.3, «Гк» - 0.4 м/т угля, а масса газового гидрата метана, рассчитанная с учетом стехиометрической формулы, для этих изменений составила для угля «К» - 0.80, «ГЖ» -0.57, «Гн» - 0.73, «Гк» - 0.23% от массы угля.
Заявляемый способ доступен для технической реализации и позволяет измерять количество газового гидрата, формирующегося в природном угле.