Oцehka связанного метана в ископаемом угле

© Ю.Ф. Васючков, 2002

УЛК 622.411.33

Ю.Ф. Васючков

ОЦЕНКА СВЯЗАННОГО МЕТАНА В ИСКОПАЕМОМ УГАЕ

Одной из важных проблем газовой статистики угольных пластов является получение новых современных данных о структуре угля и формах связи метана с углем. Современный поход к этой проблеме характеризуется пониманием того, что метан в ископаемом угле находится как в виде свободного газа, когда он подчиняется законам газового состояния, так и в виде свободного газа, когда он подчиняется законам газового состояния, так и в виде сорбированного газа, когда он находится в микропорах или переходных порах. Последние работы проф. И.Л. Эттингера с сотрудниками

[1] Были посвящены оценке микропоровой структуры угля как моноколлектора сорбированного метана, причем автор имел в виду, что каждая молекула метана занимает в угле свою собственную микропору -он полагал, что микропоры имеют диаметр не более 15 А , а все поры большего диаметра относил к надмолекулярным порам. На этой основе был предложен расчетно-эмпирический аппарат определения объема микропор в углях с позиций теории объемного заполнения М.М. Дубинина.

Позже было установлено, что метан может находится в угле в виде твердого раствора

[2]. Экспериментальное обоснование (спектрометры ядерного магнитного резонанса) этого явления основано на обнаружении способности молекул метана внедряться при определенных условиях (метаморфизм угля, геотектонические движения, высокие давления) в межкри-сталлитное пространство и между алифатических цепей (полимерных прослоек) в макромолекулах угля. Так, данные спектрометрии показали стабильную

линию шириной АН1=0,1-0,5 эрстед в марках угля Ж, К, Т и А, что характеризовало ЯМР метанонасыщенного угля. Рентгеноструктурные и электроннооптические исследования подтвердили это положение.

В настоящей работе выдвинута гипотеза переноса молекул метана внутрь кристаллической углеводородной решетки ламелей и кристаллитов угольного вещества по типу трансфузии, т.е. не закрепленных в гексагональной (бензоль-ной) решетке в процессе генезиса угля, а переместившихся туда за счет межмолекулярного и диффузного переноса в результате метаморфизма и геодинамики. Такое состояние метана в угле можно назвать как газокристаллическое.

Для начальной оценки реальности газокристаллического состояния метана в угле целесообразно проверить его возможный (потенциальный) объем в единице массы или объема угля и сравнить их с метаноемко-стью. Кинетический диаметр молекулы метана рассчитывается в зависимости от температуры среды. При температуре t=20 °С этот диаметр равен

= Д2

где = 3,33 А. В дальнейшем для удобства расчеты проведем в ангстремах, имея в виду соотношение 10 А =1 нм. Таким образом, кинетический диаметр молекулы метана при пластовой температуре 20 0С равен 4,12 А . Если для облегчения расчетов считать, что молекула метана представляет собой сферу (в действительности, это не так -она представляет собой тетраэдр), ее объем равен

ут = пО3/6 ,

что при текущем кинетическом диаметре составляет 36,6 А 3.

Размеры единичного звена бензольного кольца (гексагональной кристаллической решетки угля) составляет в среднем 19-21 А , а высота кристаллита (высота единичного пакета слоев ламелей) 14-17 А , в среднем 15,5 А. Площадь единичного кристаллита равна 259,8 А . Тогда средний объем единичного кристаллита составит:

Уср = 259,8 -15,5 = 4026,9А .

В 1 см3 угля количество кристаллитов с учетом того, что их объем в каменных углях составляет 40-60 % от объема угля (в среднем примем 50 %), выражается числом 4026,9-1020.

Рассмотрим степень упаковки молекул метана в единичном кристаллите. Здесь могут быть две формулы упаковки: плотная и рыхлая. При плотной неосесимметричной упаковке сферы соприкасаются друг с другом максимально тесно при рыхлой осесимметричной упаковке сферы упорядочены по осям, и между ними большее расстояние, чем при плотной упаковке. Наши расчеты показали, что при плотной упаковке следует вводить коэффициент упаковки, равный 0,743, а при рыхлой - 0,616. Кроме того, следует учесть близкодействующую силу взаимного отталкивания молекул метана между собой и от кристаллической решетки. Эти силы действуют обычно на удалении от ядра молекулы не более 4-5 А. Поэтому эффективный диаметр молекулы метана для упаковки будет равен 6,12 А . Исходя из этого приведенный (расчетный) объем одной молекулы метана в кристаллической решетке равен 229,22 А 3.

Тогда потенциальное количество молекул метана при их плотной упаковке в единичном кристаллите составит 13, а при рыхлой - 10 или 11. Количество же молекул метана в 1 см3 кристаллитов при плотной упаковке равно 16,14-1020, а при рыхлой - 13,66-1020, 1/см3. Если эти числа выразить в г-молях

через число Авогадро, то для нормальных условий и плотной упаковке молекул метана получим, что удельное содержание метана в единице объема угля равно 2,68* 10-3, а при рыхлой -2, 26 *10-3 г-моль/см3. С учетом плотности каменного угля (1,36 м3/т) и поправки на принятую в расчетах температуру (0,931) газоемкость угля по метану, находящемуся в газокристаллическом состоянии, составляет при плотной упаковке 41,4 м3/т, а при рыхлой - 34,7 м3/т.

Таким образом, согласно нашей оценке в газокристаллическом состоянии в угле может находится от 35 до 40 м3/т угольного метана. Эти цифры покрывают почти весь диапазон метаноносности угля. Конечно,

на практике могут быть существенные отклонения от расчетных значений за счет воздействий на систему уголь-метан температурных, компрессионных, геологических и иных факторов. Следовательно, точное значение указанной составляющей метаноносности должно определяться экспериментом и конкретной ультратонкой

структурой угля.

Рассмотренный вопрос имеет чрезвычайно важное, на наш взгляд, практическое применение при дегазации угольных месторождений при промышленном их освоении как коллекторов для получения газового топлива.

Заключение

Обоснована возможность нахождения угольного метана внутри кристаллов угольного вещества. С учетом предложенного механизма следует оценивать метаносодержание угля как в форме свободного газа, так и связанного разнообразными формами связи - сорбционными в микропорах, твердотельными в межслоевых полимерных цепях и межкристал-литных пространствах, газокристаллическими внутри углеводородных гексагональных решеток кристаллитов. Практические вопросы извлечения метана из недр следует решать в соответствии с преобладанием той или иной формы связи угля с метаном.

---------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Эттингер И.Л., Шульман Н.В. Распределение мета на в порах ископаемых углей. - М.: Наука, 1975, 112 с.

2. Айруни А.Т., Алексеев А.Д., Васючков Ю.Ф., Дол гова М.Д., Зверев И.В., Синолицкий В.В., Эттингер И.Л

Свойство органического вещества угля образовывать с газами метастабильные однофазовые системы по типу твердых растворов/Научное открытие. - М.: 1994, №9.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Васючков Ю.Ф.— профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.

© Ю.Г. Анпилогов, В.Н. Королева, 2002

УЛК 622.817.9:611.184.35

Ю.Г. Анпилогов, В.Н. Королева АНАЛИЗ ЛЕГАЗАПИИ УГЛЕНОСНОЙ ТОЛШИ ЧЕРЕЗ СКВАЖИНЫ ГИЛРОРАСЧЛЕНЕНИЯ В ЛОНЕПКОМ УГОЛЬНОМ БАССЕЙНЕ

пытные работы по заблаговременной дегазации неразгруженных угольных пластов путем их гидрорасчленения через скважины с поверхности на полях действующих шахт Донбасса были начаты в 1961 г.

За период 1961-1973 гг. В

Донецком бассейне были обработаны свиты угольных пластов на шести действующих шахтах через восемь скважин, охватывающих диапазон глубин от 260 до 950 м и мощности пластов от 0,15 до 1,4 м. Темпы нагнетания рабочей жидкости варьировали от 10 до 65-10-3 м3/с при давлениях на устье скважин от 7,2 до 24,7 МПа. Освоение скважин (откачка воды и газа) не проводилось или осуществлялось частично.

Опыт работ, накопленный за этот период, показал, что увеличение проницаемости массива реализуется всегда при про-