Способ уменьшения остаточного водопритока в горные выработки через глиноцементную противофильтрационную завесу (ПФЗ)

Лабораторная установка для исследования зоны оттеснения пластовой воды в пористой среде: 1 -

баллон газовый с редуктором, 2 -входной вентиль, 3 - термостат, 4 -манометр на входе

ак показала практика [1, 2] отработки карьера «Мир» откры-тым способом традиционный метод цементации не позволяет полностью устранить водоприток в горную выработку, ввиду микротрещин-ной и поровой проницаемости пород. Остаточный водоприток через ПФЗ (проскок) составил 1100 м3/ч, что превысил проектный в 4-5 раз. В инженерной геологии известно, что применение цементации неэффективно в тех случаях, когда размеры (раскрытие) трещин и пор в горных породах меньше 0,15-0,20 мм, так как в такие трещины и поры не проникает цемент даже наиболее мелкого помола (3050 микрон) [3].

Вместе с тем, низкие температуры (-0,7^- -2,0 оС), высокие пластовые давления (до 3,5 МПа) метегеро-ичерского водоносного горизонта создают благоприятные условия для управления физикомеханическими свойствами горных пород путем насыщения микротрещин и пор молекулярными соединениями включения -водными клатратами. При этом синтез водных клатратов (кристаллогидратов газов) осуществляется непосредственно в массиве, в поровом пространстве горных пород, с использованием естественных условий пласта и природных материалов. Газы обладают проницаемостью на несколько порядков выше, чем цементационный раствор и легко проникают в микротрещины и поры (вязкость газов порядка 10-6, воды и водных растворов - 10-3, цементационных растворов 1,0^100 Па-с), куда не проникает цементационный раствор. В отличие от льда при образовании

ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННУЮ ЗАВЕСУ

Семинар № 7

гидратов вода переходит в твердое кристаллическое состояние и при положительных температурах, в зависимости от давления и состава газов, образующих с ней гидраты [4].

При создании ПФЗ глинисто-цементный раствор заполняет трещины и поры с раскрытием более 0,1 мм (10-4 м). Известно, что в порах и микротрещинах с размером менее 10-8 м вода не передает гидродинамическое давление и для преодоления капиллярных сил в пластах требуются огромные перепады давлений, порядка десятков и сотен МПа/м, что превышает все естественные и искусственные перепады [5].

Таким образом, для устранения остаточного водопритока необходимо залечи-

вать поры с радиусом 10-8<г<10-4 м. В порах с радиусом более 10-8 термобарические условия гидратообразования практически не отличаются от условий гидратообразо-вания в свободном объеме [6].

Способ осуществляется следующим образом. Тампонируемый материл (природный газ) предпологается нагнетать на водоносный горизонт по тем же скважинам, по которым нагнетают глиноцементный раствор. Газ целесообразно нагнетать после залечивания трещин и пор глиноцементным раствором с раскрытием более 0,1 мм. В таком случае поровый состав массива горных пород сужается и уменьшается вероятность утечки газа в пласт по трещинам. Газ-гидратообразователь нагнетают под давлением выше пластового и заполняют зону тампонирования (ореол гидратооб-разования). Ореол гидратообразования представляет собой зону оттеснения пластовой воды от ствола скважины где создается условие максимального контакта газа-гидратообразователя с остаточной водой.

Возможны два варианта создания ореола гидратооб-разования. Первый вариант предусматривает оттеснение пластовой воды негидратообразующим (при данных ТБ условиях) газом, например воздухом. Во втором варианте зона оттеснения создается с учетом времени оттеснения пластовой воды и

времени перехода газа в гидрат. При этом время оттеснения пластовой воды должно быть меньше времени гидратообразования ((оттесн.

). В противном

воды < (гидр. образ

случае гидрат будет образоваться вокруг устья скважины мешая расширению ореола гидратообразования, ввиду уменьшения проницаемости пород за счет насыщения пор гидратами.

Экспериментальные исследования

Рассмотрим создание ореола гидрато-образования оттеснением пластовой воды газом-гидратообразователем с учетом

времени перехода газа в гидрат Природный газ Северо-Нельбинской ГКП (состав; СН4 - 70,63, С2Н6 - 17,91, С3Н8 - 2,10, С4Н10 - 1,48, N - 7,64, О2 - 0,23 об %, молекулярный вес 20,67) с пластовой водой в интервале температур -0,7 °С + -2,0 °С образует гидрат структуры КС-2 при давлении 1,8 -1,5 МПа [6].

Для упрощения физического моделирования зону оттеснения пластовой воды можно представить в виде радиально направленных пучков от призабойной зоны (стенки) скважины. Моделирование процесса гидратообразования в дисперсных

средах проводилось в нестационарных условиях на длинном макрообъекте, что строго не требует прибегнуть к критериям подобия. Целью проводимых исследований является установление соотношения времени гидратообразования и оттеснения воды и определение гидратонасыщенно-сти горных пород в зоне оттеснения пластовой воды,

Для лабораторных исследований собрана установка, которая иллюстрирована на рис. 1. Образцы горной породы мете-герской и ичерской свит (доломиты, мергеля, песчаники в соотношении 1:1:1) измельчают и отбираются фракции; 0,2000,315; и 0,315-0,400 мм. Каждая фракция вибрацией и трамбованием уплотняется в камеру высокого давления 5.

Камера представляет собой резиновый шланг высокого давления с диаметром 0,02 и длиной 20 м. Рабочий объем шланга 6280 см3. Стенки трубки замазаны глиной для предотвращения проскальзывания газа вдоль стенок. По длине шланга размещены съемные металлические пробоотборники 6 с резиновыми уплотнителями 7. Объем пробоотборников Упробоотборник = 94 см3. В конце трубки установлен редукционный клапан 8, который поддерживает на выходе определенное постоянное давление.

Для определения времени оттеснения воды заправленный в трубку образец горной породы под вакуумом полностью насыщается пластовой водой через вентили 2 и 9. Водонасыщение продолжается до окончательного удаления воздуха из образца и замеряется объем поглощенной

образцом воды Уводонасыщение полное. Затем

образец термостатируют при температуре -1 °С. Количество остаточной воды после вытеснения воды газом из образца и время полного оттеснения воды из образца определяют при различных перепадах давления АР. Перепад давлений ДР устанавливается по разнице показаний образцовых манометров 4 и 10. При этом давление на выходе камеры устанавливается близким пластовому 2,0 МПа. Время оттеснения пластовой воды устанавливают по окончанию истекания воды из образца, а количество остаточной воды по разнице объемов поглощенной и вытекшей воды. Для предотвращения гидратообразования во время замеров времени оттеснения и количества остаточной воды в образце оттеснение производят сжатым воздухом. Резуль-

таты замеров приведены в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что чем выше перепад давления, тем меньше время оттеснения воды и количество остаточной воды в образце. Для получения ореола гидрато-образования с определенным радиусом необходимо выполнение условия ( гидратооб-

разования — (оттеснения . При (г.о <(оттесн. °браз°-

вание гидратов происходит в ореоле с небольшим радиусом, ввиду снижения проницаемости пород за счет образования гидратов в призабойной зоне.

При ореоле гидратообразования с радиусом 20 м у образцов данное условие выполняется при перепадах давлений выше 0,25 МПа/м для фракции 0,2 - 0,315 мм и 0,1 МПа/м для фракции 0,315 - 0,4 мм. При этом время перехода газа в гидрат в пористой среде взято из [7].

Определение гидратонасыщенности пор в зоне оттеснения воды проведены в области давлений выше равновесного гидратообразования при температуре -1 °С. Давление на выходе устанавливается равным 2,0 МПа. Оттеснение воды осуществляется при перепаде давления 0,35 МПа/м, для обоих фракций, что соответствует условию (Готтесн. воды < (гидр. образ.). По мере образования кристаллов газового гидрата в пористой среде уменьшается ее проницаемость, а в конце эксперимента в результате образования водонепроницаемой среды выход оттесненной воды через вентиль (10) полностью прекращается. Полученный гидратонасыщенный образец выстаивается при той же температуре в течение суток.

После окончания эксперимента из

Таблица 1

Зависимость количества остаточной воды в образце от перепада давлений

Фракция, мм Кпор , % V ’ вод. полн.5 ,см3 при полном во-донасыще-нии Vостаточной воды, см 3 / время оттеснения ^ Ч при АР, МПа/м

0,05 0,1 0,15 0,25 0,35

0,2-0,315 30,0 1900 1450/36 1168/18 900/12 855/7,2 820/5

0,315-0,4 28,0 1810 1048/11 850/4,8 720/3,3 630/2,2 580/1,5

пробоотборников, расположенных на разных расстояниях от входного вентиля, отбираются образцы, которые помещаются при комнатной температуре и измеряется количество выделившегося гидратного газа (Угидр,гав). Взвешиванием образца до и после высушивания (+110 0С) определяется количество остаточной воды т ост.еоды. в данных участках образцов. Во-донасыщенность пор определяется с учетом объема пробоотборника и пористости образца

а = -

/ Ро

ост.еоды і воды

V • К

пробоотбор. пор.

Из соотношения количества, выделившегося после разложения гидрата газа (мл.) и воды (г.) в образце определяется гидратное число п

тд( г) • 22400 _

п = водьЛ ’--------------- = 7,5

18 •V,

гидр. газ

Гидратонасыщенность (в) определяется из формулы для определения водона-сыщенности пор (а), приведенной в работе [8] с учетом того, что после разложения гидрата в образце не присутствует лед,

в

(1 -е)Р.

гидрат

где рводы. - плотность воды равная 1000 кг/м3, ргидрата- плотность гидрата данного природного газа при п = 7,5 равна 930 кг/м3, е -масса газа в единице массы гидрата, определяемое по формуле [9];

М

е =-------

nN + М

где а - остаточная водонасыщенность; М

- молярный вес газа- гидратообразователя, равный 20,67; N молекулярный вес воды равный 18 г.; п - гидратное число, определяемое из экспериментальных данных по формуле (2) равное 7,5.

Зависимость гидратонасыщенности от содержания остаточной воды в зоне оттеснения при перепаде давлений 0,35 МПа/м приведена в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что за зоной оттеснения на расстоянии 20,0 м. от точки подачи газа-гидратообразователя наблюдается полная водонасыщенность и отсутствие гидратов. В начале камеры высокого давления (2,0 м) внутри зоны оттеснения из-за меньшего содержания свободной воды в поровом пространстве проявляется меньшая гидратонасыщенность. В конце зоны оттеснения (18,0 м) содержание остаточной воды в порах увеличивается и соответственно гидратонасыщенность повышается. С уменьшением размера фракции (0,2-0,315 мм) гидратонасы-щенность в поровом пространстве увеличивается. В этом случае содержание остаточной воды определяется удельной поверхностью породы, которая повышается с уменьшением размеров зерен. Средний расчетный радиус пор данных фракций образцов составляет фракций (15

- 21)-10-5 м. Такой размер пор не оказывает заметного влияния на равновесные параметры гидратообразования.

Расчет необходимого количества газа-гидратообразователя

Оценим количество необходимого га-за-гидратообразователя для тампонирования породного массива с объемом Умассие. и пористостью Кпор.. Из формулы гидрата М  пН2О явствует, что на 1 моль

Таблица 2

Зависимость гидратонасыщенности

Фракция, мм

Расстояние, м от точки подачи газа

2,0 6,0 12,0 18,0 20,0

а в а в а в а в а в

0,2-0,315 0,23 0,29 0,30 0,37 0,56 0,69 0,64 0,80 1,0 0

0,315-0,4 0,17 0,21 0,27 0,33 0,45 0,56 0,53 0,66 1,0 0

газа-гидратообра-зователя приходит п молей воды. Объем одного моля газа равен 22400 мл, а молекулярный вес воды равен 18 г. Тогда объем необходимого газа-гидратообразователя будет

V д = 22400 •У" 'Кпор. 'а ,

газа—гидр. *10

18 • п

1. Заключение по оценке эффективности сооружения тампонажной завесы на карьере «Мир». - Москва: Союзводпроект, 1990.

2. Основные сведения о месторождениях «Мир», «Айхал» и «Удачная». /Якутнипроалмаз. -Мирный, 2001.- 37 с.

3. Коломенский Н.В. Инжененая геология.-М.: Госгеоиздат, 1951.- 283 с.

4. Бык С.Ш., Макагон Ю.Ф., Фомина В.И. Газовые гидраты. - М.: Химия, 1980.- 296 с.

5. Кобраноеа В.Н. Петрофизика. - М.: Недра, 1986.- 392 с

6. Черский Н.В., Царев В.П., Михайлов В.А. Роль зон гидратообразования в формировании ресурсов природных газов и оценка

Например, для тампонирования 1 м3 горного массива с пористостью 0,3 и во-донасыщенностью 0,64 (см. табл. 2) при гидратном числе 7,5 необходим объем газа

У,—,.. = 224001м11!83:1^ = 31,85м>

18 • п

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

возможности эксплуатации газогидратных залежей //Поиски и оценка ресурсов газа в газогидрат-ных залежах.- Якутск, 1978. - С. 3-68.

7. Ларионов В.Р., Федосеев С.М., Иванов Б.Д. Перспективы практического использования газовых гидратов в горном деле.-Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1993.- 224 с.

8. Веригин Н.Н., Хабибуллин И.Л., Халиков Г.А. Линейная задача о разложении гидратов газа в пористой среде. Изв. АН СССРЮ МЖГ, 1980, №1, с.174-177.

9. Бондарев Э.А., Бабе Г.Д., Гройсман А.Г., Каниболотский М.А. Механика образования гидратов в газовых потоках. - Новосибирск: Наука, 1976. - 200 с.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------

Федосеев С.М.- научный сотрудник,

Ларионов В.Р. - кандидат химических наук, ст. научный сотрудник,

лаборатория обогащения полезных ископаемых, Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН.

------Ф

^------

------------------------------------ © В.К. Костенко, Д. А. Макеева,

А.Е. Кольчик, 2005

УДК 622.794

В.К. Костенко, Д.А. Макеева, А.Е. Кольчик

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, РАЗМЕЩАЕМЫХ НА ПОРОДНЫХ ОТВАЛАХ