Способ определения порога влажности для формирования газового гидрата в образцах природного угля
METHOD OF DETERMINING HUMIDITY THRESHOLD FOR FORMATION OF GAS HYDRATE IN SAMPLES OF NATURAL COAL

Изобретение относится к области горного дела и касается вопроса определения условий формирования в угольных пластах газовых гидратов и может быть использовано при определении порога влажности, при превышении которого происходит формирование газового гидрата, востребованного при установлении выбросоопасных ситуаций в краевых зонах угольных пластов и способов их предотвращения.
Известен способ, в котором для определения количества влаги, содержащейся в каменном угле, но не способной формировать газовый гидрат, образец исследуемой горной породы высушивают при 105°С, затем при высоком давлении гидратообразующего газа и низкой температуре, соответствующих условиям стабильности газового гидрата, помещают рядом с газовым гидратом, образованным из чистого льда или льда, образованного в избытке внутри другой пористой среды, и выдерживают 7-14 дней до достижения равновесия, после чего исследуемый образец вынимают из реакционного объема и по изменению массы исследуемой породы определяют влажность, соответствующую количеству воды, находящейся в сильной связи с поверхностью пор и не способной формировать газовый гидрат.
Недостатками способа является то, что не позволяет определить порог минимальной влажности, потому что в способе нет четкого разделения воды, сорбированной образцом, на воду, из которой образовался гидрат, и на воду, которая не способна участвовать в образовании гидрата, вследствие чего метод обладает большой погрешностью.
Наиболее близким к заявляемому способу является экспериментальный способ определения влажности при образовании гидрата в пористых средах. В данном способе влажность задается путем смешивания определенного количества воды с горной породой, после чего образец помещается в автоклав высокого давления, в котором создаются условия стабильного существования газового гидрата и по изменению давления и температуры вычисляется количество газа и воды, образующих гидрат, а также рассчитывается доля воды, не вовлеченной в образование гидрата. Основным недостатком данного способа является то, что он позволяет определить порог минимальной влажности, необходимой для образования гидрата только приблизительно, то есть неточно, т.к. в данном способе определяется суммарная влага, которая превращается в гидрат, и не учитывается доля воды, которая не превратилась в гидрат сверх порога минимальной влажности, необходимой для образования гидрата.
Целью предполагаемого изобретения является повышение точности определения для образцов горной породы и природного угля порогового значения влажности, т.е. минимальной влажности, при превышении которого становится возможным формирование газового гидрата, и лишенного указанных недостатков. Это необходимо для расчета количества метана и природного газа, находящихся в газогидратной форме в краевых зонах угольных пластов, что важно знать при выборе методов прогноза и предотвращения внезапных выбросов угля и газа.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в определении для исследуемых образцов природного угля порогового значения влажности, при превышении которого часть воды, находящейся в поровом пространстве угля, при создании соответствующих термобарических условий способна формировать газовый гидрат.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ определения порога минимальной влажности при формировании газового гидрата в образцах природного угля включает в себя подготовку 3-5 образцов угля в ряду увеличения влажности, последующего измерения количества газового гидрата, способного формироваться в данных условиях и определения методом аппроксимации порогового значения влажности, при превышении которого часть сорбированной воды в образце способна формировать газовый гидрат, а также определении отношения массы воды, вовлекающейся в образование газового гидрата, к массе воды, сорбированной сверх порога образования гидрата. Для задания необходимого значения влажности отобранные из угольных пластов образцы высушиваются в вакуумной печи, затем выдерживаются в атмосфере с относительной влажностью воздуха, заданной в диапазоне от 0.4 до 1.0 (в долях единицы). Для каждого подготовленного образца измеряют количество формирующегося гидрата, для чего образец помещают в автоклав высокого давления, выдерживают не менее 36 часов в условиях стабильного существования газового гидрата и выполняют контролируемое разложение наработанного гидрата в изохорическом процессе при линейном росте внешней температуры со скоростью от 1 до 6°С/час. В ходе эксперимента измеряется и записывается в память компьютера давление газа и температура внутри автоклава, а также температура внешних стенок автоклава, задаваемая термостатом, в котором находится автоклав. Разложение гидрата проявляется ступенью повышения давления на Р-Т диаграмме, по величине которой вычисляется количество газа, выделяющегося при разложении газового гидрата, а также количество воды, вовлекаемой в образование гидрата. По полученным результатам при разных значениях влажности для одного и того же образца строится зависимость количества воды, которое пошло на образование газового гидрата Wh, от фактической влажности образца в начале эксперимента Wo, затем проводится аппроксимирующая линия, по пересечению которой с осью абсцисс определяется порог минимальной влажности образца, при превышении которого возможно образование гидрата, а наклон данной линии равен отношению массы воды, образующей гидрат к массе воды, сорбированной сверх данного порога.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 для образца угля марки К точками показаны экспериментальные значения Wh - максимального количества воды, способной превращаться в газовый гидрат, при заданной начальной влажности образца - W0, проведена линия, аппроксимирующая экспериментальные значения, пересечение которой с осью абсцисс соответствует пороговому значению влажности, а также записано уравнение данной линии, наклон которой (0.53 для рассмотренного случая) равен отношению массы воды, вовлекающейся в образование гидрата, к массе воды, сорбированной сверх порога образования гидрата.
2
3
2
4
2
Способ определения порога образования гидрата в образцах природного угля реализуется следующим образом. Предназначенный для исследования образец угля или горной породы измельчали, отбирали частицы размером 1.0÷2.0 мм, которые высушивали при 110°С, затем выдерживали одну или несколько недель в эксикаторе с постоянной влажностью воздуха до установления постоянной массы образца. Для подготовки 3-4 загрузок угля, отличающихся величиной влажности, использовали несколько эксикаторов, в которых влажность воздуха задавали насыщенным водносолевым раствором: NaCO - 0.91; KCl - 0.84; NaCl - 0.75; KJ - 0.69; MnCl - 0.56, возле каждой соли указана относительная влажность воздуха над ее насыщенным раствором. Установившуюся влажность образца определяли весовым методом. Каждый подготовленный образец угля помещали в стальной автоклав высокого давления, температура внешних стенок которого задавалась программой термостата, в котором помещен автоклав. Автоклав наполняли гидратообразующим газом до рабочего давления, затем охлаждали до температуры ниже 0°С так, чтобы внутри автоклава условия соответствовали условиям стабильного существования газового гидрата, и выдерживали при таких условиях несколько суток. В качестве гидратообразующего газа использовали метан или углекислый газ. Разложение гидрата, образовавшегося в угле, выполняли в изохорическом процессе при линейном повышении температуры теплоносителя, омывающего внешние стенки автоклава. При этом измеряли давление газа в автоклаве, температуру внутри и снаружи автоклава. Разложение гидрата проявлялось в виде ступени повышения давления газа, по величине которой вычисляли количество выделившегося газа, а с учетом усредненной стехиометрической формулы гидрата CH⋅6HO вычисляли массу воды, вовлекаемой в образование гидрата, выражая ее в процентах от массы сухого образца угля. Строили график в осях Wh - количество воды, вовлекаемой в образование гидрата, W0 - начальная влажность образца угля и выполняли линейную аппроксимацию. В качестве порогового значения влажности принята точка пересечения данной линии с осью абсцисс, а наклон линии соответствует отношению массы воды, вовлекаемой в образование гидрата, к массе воды, сорбированной сверх порога образования гидрата.
Пример конкретного исполнения. Было определено пороговое значение влажности образца угля марки «К», отобранного из 27 пласта ш. Березовская, Кемеровского района Кузбасса. Уголь отбирали в шахте с поверхности забоя, измельчали, ситовым методом выделяли фракцию с размером частиц 1.0÷2.0 мм, которую высушивали в течение 6-ти часов при 110°С, делили на четыре загрузки, каждую из которых выдерживали в отдельном эксикаторе с заданной влажностью воздуха. Таким образом, приготовили загрузки угля влажностью W0=1.91, 2.42, 2.81 и 2.95%. Для каждой загрузки выполняли эксперимент, в котором уголь помещали в автоклав, задавали рабочее давление метана в диапазоне 4.2÷6.6 МПа и температуру ниже 0°С так, что уголь находился в условиях стабильного существования газового гидрата. Разложение гидрата выполняли в изохорических условиях при линейном росте внешней температуры, по величине перегиба на кривой давления на участке разложения гидрата рассчитали количество газа и воды, вовлекаемой в образование газового гидрата. Для указанных выше значений влажности количество воды в гидрате составило Wh=0.36, 0.67, 0.93 и 0.86% от массы угля. Через экспериментальные точки проведена линейная аппроксимация, по которой можно определить, что пороговое значение влажности составляет 1.19%, а при превышении данного порога доля воды, равная 0.53, способна вовлекаться в образование гидрата. Запись уравнения линейной аппроксимации в виде Wh=0.53⋅(W0-1.19) отражает полученные численные значения.