Механизм повышения газопроницаемости угольного пласта в процессе циклической сорбционной усадки и разбухания угля

УДК 622.411.33:622.831

© Г.Г. Каркашадзе, А.М.-Б. Хаутиев, 2015

Г.Г. Каркашадзе, А.М.-Б. Хаутиев

МЕХАНИЗМ ПОВЫШЕНИЯ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА В ПРОЦЕССЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ СОРБЦИОННОЙ УСАДКИ И РАЗБУХАНИЯ УГЛЯ

Представлено техническое решение способа повышения проницаемости угольного пласта в процессе пластовой дегазации путем циклического открытия и закрытия устья скважин. Описан механизм повышения проницаемости угольного пласта и выполнено компьютерное моделирование процесса истечения метана. Продемонстрировано, что цикл повышения давления метана в скважине более 5 бар. способен вызвать значительные относительные деформации, приводящие к повышению проницаемости. Вывод имеет косвенное подтверждение в шахтных экспериментах, в которых были отмечены результаты повышения дебита метана в 1,5-5 раза на время более месяца.

Ключевые слова: уголь, метан, сорбционные деформации, усадка и разбухание угля, циклические воздействия, моделирование дебита метана.

В физике сорбционных процессов хорошо известно явление усадки и разбухания угля при десорбции и сорбции метана [1]. Величина сорбционных деформаций принимает достаточно высокие значения, которые способны вызвать необратимые деформации в угольной среде с зарождением новых микротрещин, каналов проницаемости, что имеет важное значение в практических задачах геомеханической разгрузки и интенсификации фильтрации метана в угольных пластах.

Увеличение проницаемости угля при десорбции имеет широкое экспериментальное подтверждение, например, при промысловой добыче метана, когда стечением времени дегазации происходит увеличение притоков метана к дегазационной скважине, что объясняется расширением каналов проницаемости [2]. В этой связи представляет интерес усиление эффекта повышения проницаемости путем циклического увеличения и сброса давления метана, что приводит к знакопеременным сорбцион-ным деформациям в угольном пласте.

Главная идея реализации физического процесса заключается в использовании свойств гистерезиса в виде остаточных деформаций, величина которых должна увеличиваться после каждого цикла сорбции и десорбции.

На практике для дегазации угольных пластов применяют технологию бурения скважин из оконтуривающих выработок с подключением к магистральному шахтному газопроводу, имеющему выход на дневную поверхность. Однако как показывает практика дегазационные скважины, пробуренные в неразгруженный породный массив, малоэффективны из-за низкой природной проницаемости пласта и поэтому, для увеличения притоков метана, необходимо осуществлять дополнительные технологические мероприятия по физическому воздействию наугольный пласт с целью повышения его газопроницаемости [3].

Наиболее распространенным способом является гидравлическое воздействие на пласт путем нагнетания воды в скважину под высоким давлением с целью создания каналов проницаемости. Однако этот способ не

нашел широкого применения из-за значительных материальных и трудовых затрат. Действительно, использование насоса высокого давления, необходимость качественной герметизации устья скважины на глубину более 10-15 м, эксплуатация оборудования в условиях ограниченного подземного пространства не позволяет считать этот способ высокоэффективными и перспективным.

В горном институте НИТУ «МИСиС» предложен [4] и апробирован в условиях шахты имени С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» способ дегазации угольного пласта, обеспечивающий интенсификацию дегазации при минимальных затратах на его реализацию. Принципиальная схема способа представлена на рис. 1.

По базовой технологии в угольный пласт пробурены дегазационные скважины 3, которые подключены к магистральному газопроводу 7, по которому газ отбирают на дневную поверхность средствами газоотсоса 9. В разработанном нами техническом решении осуществляют простую технологическую операцию циклического открытия и закрытия устья скважин 3. Рекомендуемая длительность цикла закрытия пластовых скважин при дегазации выемочного столба составляет 1-3 сут. Длительность дегазации при открытой скважине устанавливается в зависимости от текущего дебита метана по принципу: если дебит метана в следующем цикле стал меньше чем в конце предыдущего цикла, то скважину следует закрывать,

Рис. 1. Схема пластовой дегазации выемочного столба: 1 - угольный пласт; 2 - вмещающие породы; 3 - дегазационные скважины; 4, 5 - вентиляционный и откаточный штреки; 6 - направление движения лавы; 7 - магистральный газопровод; 8 - аппаратура для измерения пластового давления; 9 - направление газоотсоса.

Рис. 2. Дебит метана до и после акта циклического воздействия

реализуя тем самым очередной акт сорбционной усадки и набухания угля.

В работе [5] показано, что циклы повышения давления метана в скважине более 5 бар способны вызвать относительные деформации, сравнимые с предельными деформациями угля при сжатии или растяжении. Этот вывод имеет косвенное подтверждение, когда в шахтных экспериментах нами были отмечены результаты повышения дебита метана в 1,5-5 раза на время более месяца. При-

Исходные данные

Эффективная пористость угля 0,015

Эффективная пористость почвы 0,02

Эффективная пористость кровли 0,02

Проницаемость кровли, кв.м 0,005-10-15

Проницаемость неразгруженного угля (начальная), м2 0,00037-10-15

Проницаемость почвы, кв.м 0,005-10-15

Коэффициент в уравнении Ленгмюра, а, 1/Па 0,207-10-6

Предельная газоносность в уравнении Ь, Ленгмюра, кг/м3 50

Плотность почвы, кг/м3 2500

Плотность угля, рс, кг/м3 1300

Плотность кровли, кг/м3 2400

Модуль деформации кровли, Па 3-1010

Модуль деформации угля, Е, Па 5-1010

Модуль деформации почвы 2-1010

Коэффициент Пуассона кровли 0,32

Коэффициент Пуассона угля, ц 0,35

Коэффициент Пуассона кровли 0,3

Длина скважины, м 114

Пластовое давление метана, Рр|, Па 14,43-105

Мощность пласта, м 2

Диаметр скважины, мм 76

Вертикальное горное давление на пласт, Па 5,0-106

чем наибольший эффект наблюдался, естественно, при перепадах давлений в скважине более 5 бар.

Фактор повышения проницаемости и соответствующего повышения дебита метана представлен на рис. 2, полученном в результате компьютерного моделирования в среде Сотэо1 Ми^у-рЫэюэ. Исходные данные расчета представлены в таблице.

Зависимость между проницаемостью угля и действующими напряжениями при разгрузке задается экспоненциальной зависимостью [6], в символах деформаций

С = С

0,3110-

10

, E 1-2ц

*сорб +

3

где С и С0 - текущая и начальная газо-проницаемсть угля, м2; онные деформации

(

a-b-Ppl a-b-P

Л

1 + b-Ppl 1 + b-P

Рис. 3. Изменения давления в скважине с учетом акта открытия и открытия устья скважины

ференциальным уравнением с учетом механизма сорбции Ленмюра [7]. После одного цикла закрытия и открытия скважины проницаемость угля в области сорбционных деформаций возрастает в среднем в 5 раз. На рис. 2 представлен результат моделирования, совпадающий с экспериментальным результатом, полученном нами в

s , - сорбци-

сорб 1

Jcop6

ЦСН4, цС - молярная масса метана и углерода, кг/моль, е0 - начальная деформация угля в породном массиве, соответствующая проницаемости С0; еср - средняя деформация, обусловленная изменением напряженного состояния и вследствие сорбционной усадки угля.

При моделирование предполагается, что процесс массопереноса метана в угольном пласте описывается нелинейным диф-

Рис. 4. Съем метана из угольного пласта в течение 6 мес

Рис. 5. Распределение давления между скважинами

шахтном эксперименте. Точками показаны измеренные в экспериментах значения.

На рис. 3 показано изменение дебита метана в скважине в цикле закрытия. В реальных условиях нами зафиксировано максимальное значение 5 бар, что объясняется слабой герметизацией устья скважины и тре-щиноватостью угля около устья скважины.

На рис. 4 представлено зависимость съема метана в течение времени дегазации в пространстве между скважинами. Если в базовом варианте через 6 месяцев дегазации максимальный съем метана не превышает 0,35 м3/т, то в предлагаемом эта величина выше и достигает 1,1 м3/т.

На рис. 5 показано распределение давления метана между скважинами, из которого следует вывод о низкой дегазации удаленных от скважины участков. Отсюда очевидно следует технологическое требование об уменьшении расстояния между скважинами или кратного увеличения дебитов метана. В этом случае, на наш взгляд многократные циклические воздействия будут способствовать решению этой актуальной задачи.

Таким образом, представлено новое техническое решение, направленное на интенсификацию дегазацию пласта простыми техническими средствами, и методика расчета параметров дегазации, что позволяет оперативно осуществлять оптимизацию технологического процесса.

1. Эттингер И.Л., Ковалева И.Б., Радчен-ко С.А. Изменение тонкой структуры углей при воздействии на них сорбции и сдвиговых напряжений / Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике. Часть 5. -Ташкент, 1983.

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. 0403 Изменение проницаемости резервуара метана в угольном пласте во время производства: новые данные и логические последствия инжекции СО2 Лэн Палмер (Хигс Технолоджис LLC).

3. Пучков Л.А., Сластунов С.В. Освоение углегазовых месторождений: основные тех-

нологические решения // Газовая промышленность. - 2010. - № 7(648). - С. 26-29.

4. Сластунов С.В., Каркашадзе Г.Г., Ко-ликов К. С. Решение о выдаче патента РФ по заявке № 2013144993/03(0696904) от 22.10.2014 на «Способ предотвращения геодинамических явлений при подземной разработке угольного пласта».

5. Каркашадзе Г.Г., Хаутиев А.М-Б. Физические уравнения остаточных деформаций в процессе циклической сорбционной усадки угля // Горный информационно-аналитиче-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

ский бюллетень. - 2014. - № 6. - С. 23-29.

6. Somerton W.H., Soylemezoglu I.M., Dudley R.C. Effect of Stress on the Permeability of Coal // Intl. J. Rock Mechanics Mineral Science and Geomechanics Abstracts (1975) 12, 129-45.

7. Полубаринова-Кочина П.Я. О неу-ставновившейся фильтрации газа в угольном пласте. Прикладная математика и механика. Т. XVII. - М.: Институт механики Академии наук СССР, 1953. - С. 735-738. EES

Каркашадзе Гиоргий Григолович - доктор технических наук, профессор, e-mail: g-karkashadze@mail.ru,

Хаутиев Адам Магомет-Баширович - аспирант, e-mail: technomon@yandex.ru, МГИ НИТУ «МИСиС».

UDC 622.411.33:622.831

THE MECHANISM OF INCREASING THE PERMEABILITY OF A COAL SEAM IN THE PROCESS OF CYCLIC SORPTION SHRINKAGE AND SWELLING OF COAL

Karkashadze G.G.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: g-karkashadze@mail.ru, Khautiev A.M.-B.1, Graduate Student, e-mail: adamas-06@mail.ru

1 Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.

Presents the technical solution of the method of increasing the permeability of a coal seam in the process of formation of degassing by cyclic opening and closing of wells. Describes the mechanism of increasing the permeability of a coal seam and performed computer modeling of the process of expiration of methane.

Demonstrated that the cycle of pressure increase of methane in the well more than 5 bar can cause a large relative deformation, resulting in increased permeability. The conclusion is indirectly confirmed in the mine experiments, which were marked increase flow rate of methane in the 1.5-5 times during more than a month.

Key words: coal, methane sorption deformation, shrinkage and swelling of coal, cyclic effects, modeling of the flow rate of methane.

REFERENCES

1. Ettinger I.L., Kovaleva I.B., Radchenko S.A. Tezisy dokladov VIII Vsesoyuznoi konferentsii po kolloid-noi khimii i fiziko-khimicheskoi mekhanike. Chast' 5 (Head-notes of papers of VII All-Russian Conference on Colloid Chemistry and Physicochemical Mechanics. Part 5), Tashkent, 1983.

2. 0403 Izmenenie pronitsaemosti rezervuara metana v ugolnom plaste vo vremya proizvodstva: novye dannye i logicheskie posledstviya inzhektsii CO2 Len Palmer (Khigs Tekhnolodzhis LLC) (0403 Production-induced change in permeability of coal bed methane reservoir: New data and implications of CO2 injection (Higgs-Palmer Technologies LLC).

3. Puchkov L.A., Slastunov S.V. Gazovaya promyshlennost'. 2010, no 7(648), pp. 26-29.

4. Slastunov S.V., Karkashadze G.G., Kolikov K.S. Reshenie o vydache patenta RF po zayavke № 2013144993/03(0696904) (RF patent decision on application № 2013144993/03(0696904)), 22.10.2014.

5. Karkashadze G.G., Khautiev A.M-B. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. 2014, no 6, pp. 23-29.

6. Somerton W.H., Soylemezoglu I.M., Dudley R.C. Effect of Stress on the Permeability of Coal. Intl. J. Rock Mechanics Mineral Science and Geomechanics Abstracts (1975) 12, 129-45.

7. Polubarinova-Kochina P.Ya. O neustavnovivsheisya fil'tratsii gaza v ugol'nom plaste. Prikladnaya matematika i mekhanika. T. XVII (Unstable gas filtration in coal bed. Applied mathematics and mechanics, vol. XVII), Moscow, Institut mekhaniki Akademii nauk SSSR, 1953, pp. 735-738.