СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАССОПЕРЕНОСА МЕТАНА В УГОЛЬНОМ ПЛАСТЕ
METHANE IN COAL BED MASS TRANSFER PARAMETERS DETERMINATION METHOD

Изобретение относится к горному производству, преимущественно к угольной промышленности, и может быть использовано для диагностики пористости, давления и газоносности метана в угольных пластах, являющихся основными параметрами массопереноса.
Известен способ определения газоносности пласта, описанный в патенте Российской Федерации №2019706, МПК E21F 5/00, заявлен 15.04.1992, опубликован 15.09.1994 г. Способ включает бурение шпуров в угольном массиве, отбор проб штыба и помещение их в герметичную емкость, измерение динамики газовыделения из штыба и определение количества газа, содержащегося в угле. Определяют теплоемкость и влажность угля в разрабатываемом пласте, плотность штыба и теплоту десорбции газа из него, геотермическую температуру горных пород, критическое значение величины снижения температуры штыба в выбросоопасных зонах пластов, имеющих аналогичные характеристики, по величине которой разрабатываемую зону пласта относят к выбросоопасным. Определяют для различных моментов времени разности температур между температурой штыба, полученного при бурении эталонного шпура в дегазованной части призабойной зоны исследуемого пласта на том же интервале бурения по длине шпура, что и при отборе исследуемой пробы бурового штыба, и температурой исследуемого штыба и максимальную величину для полученных разностей температур. Из математических выражений находят количество десорбированного газа в различные моменты времени и величину диффузионного параметра.
К недостаткам известного способа можно отнести некорректный выбор параметров, т.е. при определении газоносности угольного пласта использовались косвенные параметры, функционально не связанные с сорбционной метаноносностью угольного вещества, т.е. не учитывалось влияние сорбционных свойств угля. Параметрами, определяющими содержание метана в целом, являются пористость (открытая и закрытая) и давление. Эти параметры не учтены в приведенных расчетных формулах. Кроме того, существенным недостатком способа является отсутствие учета гранулометрического состава штыба, поскольку его размер зависит от степени выбросоопасности угля. Известно, что время истечения метана пропорционально квадрату радиуса частиц угля. Не оценивается влияние дробления на интенсивность выделения газа. Кроме того, способ не позволяет одновременно оценивать давление газа и газоносность угольного пласта.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ определения давления и метаноносности угольного пласта, описанный в патенте Украины №89740, МПК: (2009), E21F 7/00, заявлен 23.03.2009, опубликован 25.02.2010, Бюл. №4. Согласно изобретению, способ определения давления и метаноносности угольного пласта заключается в отборе пробы угля из пласта и измерении температуры, предварительном тестировании угольного пласта в лабораторных условиях. Для этого из пробы угля готовят определенное количество образцов одинаковой массы в гранулах близкого размера, каждый из образцов насыщают метаном до равновесного давления в диапазоне давлений от 0,5 до 10 МПа при температуре, равной температуре угольного пласта. Измеряют, при десорбции метана в замкнутый сосуд, количество свободного и адсорбированного метана, выделяющегося из открытых пор и трещин образца, и количество метана, выделяющегося из закрытых пор образца. Определяют метаноносность образца для каждого равновесного давления как сумму всего десорбированного метана. Фиксируют, для всех образцов, зависимость изменения давления в замкнутом сосуде при десорбции метана от величины равновесного давления насыщения и зависимость количества метана в образце от величины равновесного давления насыщения образца метаном. После чего в шахте измеряют изменение давления в замкнутом сосуде при десорбции метана из образца, а давление и метаноносность угольного пласта в месте отбора пробы определяют путем сравнения измеренной величины изменения давления в сосуде с результатами лабораторного тестирования. По фиксированной зависимости изменения давления от величины равновесного давления насыщения определяют равновесное давление метана в угольном пласте. По фиксированной зависимости количества метана в образце от величины равновесного давления насыщения определяют метаноносность угольного пласта.
Известный способ позволяет одновременно оценивать давление газа и газоносность угольного пласта по его предварительному тестированию в лабораторных условиях. Учитывает кинетику десорбции газа и сорбционные свойства угля. Позволяет определять давление и метаноносность угольного пласта непосредственно в шахте, в месте отбора пробы.
Недостатком способа является сложность его осуществления, обусловленная необходимостью проведения предварительного тестирования каждого разрабатываемого пласта в лабораторных условиях, и составление десорбционного паспорта. Для чего используется сложная установка и квалифицированный персонал для ее обслуживания, что, в свою очередь, приводит к значительным временным и материальным затратам и является экономически невыгодным. Кроме того, при построении десорбционного паспорта пласта присутствуют ошибки первого рода, возникающие за счет недостаточного учета пористости угля и соотношения объемов угольной пробы и накопительной камеры, определяющих условия формирования противодавления в контейнере, искажающего показания измеряемого давления в нем.
Задачей настоящего технического решения является усовершенствование способа определения параметров массопереноса метана в угольном пласте за счет исключения предварительного тестирования пласта в лабораторных условиях и введения новых формул для расчета параметров массопереноса метана в угольном пласте, что позволит упростить процесс измерения и повысить точность полученных результатов.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения параметров массопереноса метана в угольном пласте, включающем отбор пробы угля в виде штыба из угольного пласта и измерение его температуры, изготовление образцов путем отсева штыба в виде гранул угля одного размера, размещение образцов в измерительную камеру, герметизацию камеры и измерение давления десорбирующегося в измерительную камеру метана, определение газоносности и давления пласта, согласно изобретению, при определении параметров массопереноса считают процесс кинетики десорбции газа из угольного пласта и образца идентичным, выбирают объем измерительной камеры равным не менее 80 объемов угольного образца, предельную газоносность угольного пласта определяют как отношение произведения давления метана в измерительной камере и ее объема к плотности угля, атмосферному давлению, объему угольного образца и безразмерному параметру:
где Q - газоносность угольного пласта;
Ρk - давление метана в измерительной камере;
Vk - объем измерительной камеры;
ρ - плотность угля;
Рα - атмосферное давление;
Vy - объем, занимаемый угольным образцом;
to - время извлечения угольного штыба из пласта;
t - время от момента герметизации камеры до окончания процесса измерения, в лабораторных условиях рассчитывают пористость угля, для чего размещают образец в камеру высокого давления, герметизируют ее, насыщают образец метаном под давлением, равным гидростатической составляющей горного давления, и температурой, равной температуре угольного пласта, до установления сорбционного равновесия, сбрасывают давление до атмосферного, подключают камеру к измерительному устройству и фиксируют изменение давления метана из угольного образца, рассчитывают пористость угольного пласта как отношение давления метана в измерительной камере и ее объема к произведению давления сорбционного равновесия, объема угольного образца и безразмерному параметру:
где γ - пористость угля;
Рн - давление сорбционного равновесия;
зная пористость, определяют давление метана в угольном пласте как отношение произведения давления метана в измерительной камере и объема измерительной камеры к произведению пористости угля, объему, занимаемому угольным образцом, и безразмерному параметру:
пл
где Р - давление метана в угольном пласте.
Условия, выбранные для осуществления способа, а именно выбор объема измерительной камеры не менее 80 объемов угольного образца учитывают то обстоятельство, что процессы кинетики десорбции газа из угольного пласта и образца идентичны и позволяют повысить точность полученных измерений. Происходит это за счет исключения влияния противодавления в контейнере, искажающего показания измеряемого давления в нем.
Представленная авторами формула для расчета предельной газоносности угольного пласта упрощает процесс ее определения за счет того, что отпадает необходимость составления десорбционного паспорта для каждого нового разрабатываемого угольного пласта.
Для определения давления метана в угольном пласте используют значение пористости, которую определяют в лабораторных условиях и применяют для дальнейших вычислений по формуле, предложенной авторами. Здесь используется тот факт, что пористость для конкретного угольного пласта остается неизменной. Представленная авторами зависимость получена аналитическим путем.
Имея значения параметров, а именно предельную газоносность и пористость угольного пласта, рассчитывают давление метана по введенной авторами формуле.
Пример конкретного исполнения
4
пл
3
Испытания «Способа определения параметров массопереноса метана в угольном пласте» проводились на шахте «Комсомолец Донбасса» в подготовительном забое пласта 1. Были пробурены шпуры длиной 4.0 м, и на интервале 2.0 м был отобран штыб угля. Измеряли температуру пласта. Изготавливали образцы путем отсева штыба в виде угля массой до 20 г и размером фракций 0.4-0.5 мм, отобранных из шпуров диаметром 42 мм. Образцы помещали в камеру высокого давления и, после ее герметизации, насыщали метаном Рн под давлением 9-10 МПа в течение 14-16 суток до установления сорбционного равновесия. После этого камеру разгерметизировали и угольный образец объемом Vy=4,5 см помещали в герметичный контейнер объемом Vk измерительного прибора ДС-03 (ШИММ), описанного в патенте Российской Федерации №2571769, МПК E21F5/00 (2006.1), опубл. 20.12.2015 г., Бюл. №35, для определения предельной газоносности угольного пласта Q по приведенной выше формуле. Часть образцов доставляли в лабораторию для определения пористости γ, необходимой для оценки Р давления метана в угольном пласте.
Исходные данные и результаты измерений газоносности и пористости угольного пласта
1. Объем образца - Vy=4,5 см.
3
2. Объем измерительной камеры - Vk=400 см.
5
3. Давление насыщения угольной пробы Рн=97⋅10 Па.
3
5. Плотность угля - ρ=1,3 т/м.
5
6. Атмосферное давление Рα=10 Па.
7. Давление десорбирующегося метана в измерительной камере Рk=19500 Па.
8. Время полной десорбции метана из угольного образца t=250 мин.
9. Время извлечения угольного штыба из пласта to=5 мин.
Исходные данные подставляем в формулу и определяем газоносность угольного пласта;.
Определяем пористость угля ;.
Зная пористость, определяют давление метана в угольном пласте по формуле
».
k
Время на разгерметизацию образца и начало измерения процесса десорбции метана из образца не должно превышать 5 мин. Время измерения процесса десорбции метана из газонасыщенного угля должно составить 250-300 мин. В течение этого времени фиксируется рост давления, предельное значение которого Р используется при определении пористости угля.
В случае сокращенного времени измерения, например, с помощью десорбометра ДС-03 (ШИММ) в шахтных условиях в расчетные формулы вводятся дополнительные коэффициенты, учитывающие соотношения давлений, фиксированных в лабораторных и шахтных условиях, для заданных периодов замеров.
Исходя из приведенного выше можно сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение позволяет упростить способ определения параметров массопереноса метана в угольном пласте и повысить точность получаемых результатов.