Геотехнологического ВОЗДЕЙСТВИЯ

НА УГОЛЬНЫЙ ПЛАСТ

Теоретические положения воздействий

В режиме фильтрации

Применяется различная технология гидродинамического воз­действия на угольный пласт в режиме фильтрации. При этом воз­никают вопросы об эффективных параметрах различных техноло­гических схем и параметрах воздействия на пласт. Развивающиеся давления в фильтрующейся жидкости не велики в сравнении с на­пряжениями в пласте угля, обусловленными горным давлением. Пласт угля и жидкость в нем можно считать несжимаемыми, можно также пренебречь влиянием силы тяжести на фильтрацию жидкос­ти. При продвижении фронта жидкости в пласте происходит порш­невое вытеснение газа водой. При указанных допущениях и огра­ничениях в каждый момент времени распределение давления Р в жидкости удовлетворяет уравнению фильтрации жидкости в порис­той среде (угольном массиве)

(3.1)

где К(х, у, z)- проницаемость пласта.

При гидровоздействии жидкость от скважины движется со сво­бодной поверхностью S_i. Она может быть определена как поверх­ность линий тока. Давление жидкости вдоль этой поверхности по­стоянно или изменяется по условиям внутрипластовой среды. По­верхность S_iнаходится в динамическом равновесии с данной средой.

Для решения задачи на этой поверхности выполняется гранич­ное условие: Р(х, у, z, t) S_i = P₀ ,где Р₀ - давление внутрипластовой воздушной или метановоздушной среды. Давление Р₀не зависит от координат при гидродинамическом воздействии на пласт в режиме фильтрации, осуществляемом в ос­новном за зоной опорного давления (на поверхности фронта жидкости соблюдаются условия ). Уравнение (3.1) можно записать в в идее:

, (3.2)

где - вязкость жидкости; m_э- эффективная пористость пласта.

Для решения задачи были использованы ЭВМ. Эффективность последних здесь возрастает, поскольку для данной системы дрени­рующих поверхностей S_i - достаточно решить одну ключевую зада­чу для функции давления на поверхности со скоростями жидкости V(x,y,τ)(τ - текущее время) при некоторых режимах: , чтобы получить решение всех задач, задаваемых режимами: , где ψ(t)≥0 - произвольная функция. При этом поверхность фронта распространения жидкости будет для всех режимов в различное время занимать последовательно од­ни и те же положения. Переход от одного к другому режиму осуще­ствляется пересчетом давления и времени по формулам:

. Указанный подход позволяет получить решения для достаточно широкой области режимов, задаваемых на системе дрени­рующих поверхностей S_i.

Для описания процесса гидродинамического воздействия на пласт, представляющий собой анизотропную среду, уравнение фильтрации жидкости (4.1.1) преобразовано к виду:

(3.3)

где К и К'- проницаемость пласта соответственно (или коэффициентов фильтрации и )по направлениям хи у(в плоскости пласта и перпендикулярно напрастованию).

Для примера приводятся решения нескольких задач гидродина­мического воздействия жидкости на пласт мощностью mв режиме фильтрации через шпур (в основном радиальная фильтрация) или скважину (в основном одномерная фильтрация) радиусом r_ш или r_с с целью определения среднего коэффициента фильтрации плас­та , эффективной пористости пласта m_э,расстояния проник­новения поверхности фронта жидкости в пласте Xt_cр за время t,темпа нагнетания жидкости в угольный пласт Q_t, давления Ри др.

1. Нагнетание жидкости в пласт при линейном законе фильтра­ции.

а) установившийся процесс нагнетания жидкости в пласт:

§ одномерное движение:

(3.4)

(3.5)

, (3.6)

§ радиальное движение:

, (3.7)

(3.8)

= , (3.9)

б) неустановившийся процесс нагнетания жидкости в пласт:

, (3.10)

, (3.11)

, (3.12)

= эффектная пористость пласта при Р = 0 или .

Параметр ξ^* находится из уравнения:

. (3.13)

эффектная пористость пласта определяется по следующей формуле:

, (3.14)

в) уравнение движения контура жидкости при нагнетании её в пласт:

- эллипс увлажненной области пласта; (3.15)

, (3.16)

; (3.17)

. (3.18)

2. Нагнетание жидкости в пласт при нелинейном законе фильтрации.

§ одномерное движение:

, (3.19)

(при Q”=const) (3.20)

(при Q’≠ const); (3.21)

§ радиальное движение:

; (3.22)

(при Q”=const) (3.23)

, (3.24)

где Q'и Q " - половина расхода жидкости.

При разработке выбросоопасных пластов равномерность рас­пределения жидкости играет более существенную роль, поскольку наличие необработанных областей может привести к образованию скоплений газа, пиковых напряжений в массиве и тем самым спо­собствовать развязыванию внезапного выброса. Кроме того, выбросоопасные зоны угольных пластов обычно характеризуются повы­шенной нарушенностью и, следовательно, более анизотропны.

Основное влияние на равномерность распространения жидкости оказывает фильтрационная анизотропия, поскольку разброс значе­ний коэффициента проницаемости может достигать двух порядков и выше, тогда как эффективная пористость более постоянна: ее зна­чения различаются не более чем в 2-3 раза. Повышение равномер­ности обработки анизотропных выбросоопасных угольных пластов достигается применением каскадного способа гидродинамического воздействия, заключающегося в одновременном нагнетании жид­кости через каскад (группу) скважин. Преодоление фильтрацион­ной анизотропии в данном случае обеспечивается взаимодействием встречных потоков от соседних скважин, приводящим к повышению давления жидкости на границах слабопроницаемых областей и их более полному насыщению.

Движение жидкости в анизотропном угольном пласте при взаи­модействии встречных потоков описывается нелинейным дифферен­циальным уравнением упругой фильтрации:

, (3.25)

где - на контуре потока жидкости; - внутри контура; Р- разность между давлением жидкости и давле­нием газа в пласте; Е_у— модуль упругости вещества угля.

Уравнение (3.25) позволяет вести расчет процесса фильтрации без задания дополнительных условий на свободной поверхности по­тока, что существенно облегчает решение задачи при любом рас­пределении коэффициента проницаемости и в условиях взаимодей­ствия встречных потоков.

Математическое моделирование каскадного нагнетания жидкос­ти с использованием уравнения эффектная пористость пласта и краевых условий, соот­ветствующих конкретной технологической схеме, позволило оценить эффективность способа по повышению равномерности обработки, разработать «рекомендации по технологии воздействия и определе­нию параметров. Решение уравнения эффектная пористость пласта осуществлялось методом конечных разностей.

Исследовалось распространение жидкости в «пласте при обработ­ке через короткие скважины, перпендикулярные линии очистного забоя, и длинные скважины, пробуренные из подготовительной вы­работки параллельно очистному забою, при различных диапазонах изменения проницаемости и режимах работы скважин. В качестве критериев оценки эффективности каскадной обработки по сравне­нию с нагнетанием через одиночные скважины были приняты:

- уменьшение площади необработанных участков:

, (3.26)

где - площадь необработанных участков при нагне­тании соответственно через одиночную сква­жину и каскад,

- коэффициент вариации удельного насыщения массива жидко­стью, вычисленный по ее давлению в каждой точке:

, (3.27)

, (3.28)

где , - коэффициенты вариации для одиночной скважины и каскада; - удельное насыщение соответственно в i-й точке и среднее по обрабатываемой зоне.

Величина необработанных участков оценивалась коэффициен­том v, равным процентному отношению площади этих участков к площади проектной зоны воздействия:

. (3.29)

Анализ результатов показал, что повышению равномерности об­работки при каскадном нагнетании способствуют увеличение дли­ны и количества одновременно работающих скважин, а также на­гнетание с одинаковым для всех скважин каскада темпом. При на­гнетании с одинаковым давлением в силу различной приемистости участков (Пласта темп подачи жидкости в скважины может суще­ственно различаться. Это приводит к снижению эффективности спо­соба, поскольку часть жидкости от скважины, работающей с боль­шим темпом, уходит за пределы обрабатываемой области.

При обработке массива через две одновременно работающие скважины при наличии между ними слабопроницаемых областей больших размеров значительная часть жидкости, как показывают расчеты, уходит в стороны от межскважинной зоны за пределы об­рабатываемой области. При нагнетании раздельно, по группам скважин участки пласта, находящиеся между группами, оказыва­ются обработанными менее равномерно. Эти факторы могут снизить эффективность способа. По результатам моделирования уменьше­ние необработанной площади при нагнетании через каскад длин­ных скважин с одинаковым темпом по сравнению с одиночной сква­жиной в этих зонах составляет 50-60%, коэффициент вариации удельного насыщения уменьшается в 1,5-2 раза, тогда как в ос­тальной области значения этих показателей соответственно 60-80% и 1,9-2,2 раза.

Для устранения указанных недостатков рекомендуется примене­ние каскадной обработки со вспомогательными скважинами. При обнаружении методами прогноза выбросоопасной зоны с размера­ми, не превышающими расстояния между скважинами, нагнетание осуществляется через четыре скважины, две из которых, оконтуривающие выбросоопасную зону, являются нагнетательными, две дру­гие, пробуренные слева и справа от нагнетательных, - вспомога­тельными, осуществляющими гидродинамическое противодействие оттоку жидкости за пределы обрабатываемой зоны. Подача жид­кости в нагнетательные скважины производится в обычном режи­ме; на вспомогательных скважинах достаточно поддерживать дав­ление не ниже, чем на соседних нагнетательных. Расстояние меж­ду вспомогательной и нагнетательной скважинами равно радиусу эффективного влияния последней для обеспечения необходимого противодействия.

При отсутствии данных о зонах пониженной проницаемости в глубине массива каскадная обработка производится по непрерыв­ной технологии с одной вспомогательной скважиной, расположен­ной со стороны обработанной области. После работы крайней на­гнетательной скважины в течение половины расчетного времени нагнетания вспомогательная скважина отключается, следующая, нагнетательная, становится вспомогательной и подключается но­вая нагнетательная скважина. Темп подачи жидкости в нагнета­тельные скважины должен соответствовать естественной приемис­тости пласта при обеспечении проектного расхода на каждую сква­жину. Применение непрерывного каскадного нагнетания обеспечи­вает обработку всего массива в условиях эффективного взаимодей­ствия потоков. По данным моделирования, такая технология позво­ляет довести равномерность обработки всех зон до требуемого уровня показа­телей.

При каскадном нагнетании преимущественным является распо­ложение скважин в хорошо проницаемой пачке, так как оно позво­ляет достичь качественного насыщения массива за короткое время.

Анализ параметров гидродинамического воздействия показывает, что длина и диаметр скважин, расстояние между скважинами, расход жидкости на одну скважину одинаковы при нагнетании че­рез одиночную скважину и каскад. Некоторому изменению в случае каскадной обработки через длинные скважины подлежат глубина герметизации, давление, темп и время нагнетания. Глубина герме­тизации скважин должна быть увеличена в 1,2 - 1,3 раза для пред­отвращения утечек жидкости из массива в выработку только в том случае, если при применении непрерывной каскадной обработки не удается обеспечить малый темп подачи жидкости во вспомогатель­ную скважину. При нагнетании жидкости в режиме постоянного давления через каскад скважин расчетные значения темпа и време­ни нагнетания должны быть соответственно уменьшены и увеличе­ны в 1,3 раза по сравнению с одиночной скважиной. При нагнетании с постоянным темпом увеличивается давление нагнетания на 20-30%.

Исследования эффективности, параметров и технологии каскад­ного нагнетания жидкости в натурных условиях качественно и ко­личественно подтвердили результаты моделирования, что позволило разработать систему автоматизированного проектирования гидро­динамического воздействия на угольный пласт в режиме фильтра­ции. Основой системы является комплекс программных, реализующий решение задачи движения жидкости в угольном пласте для различных условий фильтрации, технологиче­ских схем и режимов нагнетания.

Таким образом, повышение равномерности гидравлической об­работки угольного массива, являющееся одним из основных усло­вий эффективности воздействия на выбросоопасный пласт с резко выраженной фильтрационной анизотропией, достигается примене­нием каскадного способа нагнетания жидкости. По своей физиче­ской сущности этот способ дает принципиальную возможность преодоления фильтрационной анизотропии угольного массива. Ма­тематическое моделирование нагнетания жидкости с использовани­ем специально разработанной модели показало возможность повы­шения равномерности обработки при каскадном воздействии по ве­личине необработанной площади на 50-80%, по степени разброса значений прироста влажности в 1,5-2 раза, позволило разработать рациональную технологию и рекомендации по определению пара­метров нагнетания. Положительный опыт применения математиче­ского моделирования для совершенствования схем и способов гид­равлической обработки массива послужил основой для разработки системы автоматизированного проектирования гидродинамического воздействия на угольный пласт.

Экспериментальные исследования нагнетания жидкости в угольный пласт через каскад скважин проводились с целью опре­деления эффективности его применения как метода повышения равномерности гидравлической обработки угольного массива. При этом исследовалось изменение параметров воздействия в условиях взаимодействия потоков, отрабатывалась технология каскадного нагнетания, оценивалась степень увеличения равномерности распре­деления жидкости в массиве в различных условиях. Испытания проводились на пласте g₂^H«Наталья» шахты «Ком­мунист» УК «Шахтерскантрацит» и на пласте h₃«Ремовский» шах­ты им. Калинина УК «Артемуголь».

Угольный пласт g₂ " - одиночный, мощностью 1,0-1,5 м; угол падения 2-7°. Уголь марки «А». Пласт опасен по внезапным вы­бросам угля и газа, по пылевыделению отнесен к VIII группе. Пласт g₂^нна участке обработки в основном представлен верхней пачкой мощностью от 1,1 до 1,32 м. Нижняя пачка имеет мощность не более 0,15 м. Угольные пачки разделены прослоем песчано-глинистого сланца мощностью от 0,12 до 0,5 м с переходом по восста­нию столба в глинистые сланцы с прослойкой угля. Верхняя пачка представлена блестящим хрупким углем довольно высокой крепос­ти, слоистой текстуры. Кливаж развит по простиранию.

Выемочное поле 38-й лавы представляет собой столб для обра­ботки по восстанию на длину 1050 м. Очистной забой оснащен ме­ханизированным комплексом.

В качестве мероприятий по предотвращению внезапных выбро­сов угля и газа при ведении очистных работ в зонах геологических нарушений производится нагнетание воды в пласт в режиме гидро­рыхления через короткие скважины, пробуренные из очистного за­боя. Паспортом противопылевых мероприятий предусмотрено ув­лажнение угольного массива в режиме фильтрации через длинные скважины, параллельные линии очистного забоя. Для нагнетания воды используют насосные установки НВУ-З0м с электроприводом производительностью 30 л/мин и 2УГНМ производительностью 90 л/мин.

Пласт h₃«Ремовский» шахты им. Калинина опасен по внезап­ным выбросам угля и газа, пыльный, сухой, самовозгорающийся. Пласт h₃ сложного строения, представлен на участке обработки четырьмя пачками угля различного петрографического состава, различной нарушенности и крепости. Наиболее перемятыми явля­ются первая (верхняя) и четвертая (нижняя) пачки, вторая и третья — средней крепости. Породные прослои в пласте представ­лены углисто-глинистым сланцем мощностью до 0,1 м. Общая гео­логическая мощность пласта 0,8-1,25 м, угол падения не выдержан и составляет 50-60°.

Испытания проведены в забое откаточного штрека гор. 740 м, проводимого по пласту угля с подрывкой пород почвы и частично кровли. Сечение штрека вчерне 9,4 м², в свету - 7,3 м². Прохожде­ние штрека по углю осуществляется отбойным молотком заходками по 2 м, прохождение по породе - буровзрывным способом.

Мероприятиями по предотвращению внезапных выбросов угля и газа в забое откаточного штрека предусмотрено нагнетание воды в режиме гидрорыхления через две скважины длиной 10 м, диамет­ром 43 мм, герметизируемые шланговыми гидрозатворами на глу­бину 8 м. Неснижаемое опережение составляет 2 м. Расход воды на одну скважину- 1,5 м³ из расчета 20 л/т.

На шахте «Коммунист» проводились экспериментальные иссле­дования нагнетания жидкости через длинные скважины, параллель­ные линии очистного забоя. Нагнетание осуществлялось через две одиночные скважины и каскад из пяти скважин по непрерывной технологии. Зона, лежащая между средними скважинами, была обработана обычным групповым нагнетанием.

Темп подачи жидкости был принят постоянным и одинаковым для обеих скважин, что позволило исследовать влияние взаимодей­ствия потоков на изменение давления нагнетания.

Расчетное количество жидкости на одну скважину при удель­ном расходе 20 л/т составляло 72 м³, время нагнетания в одну сква­жину - от 25 до 40 ч.

Исследование параметров нагнетания показало, что при каскад­ном нагнетании с постоянным темпом имеет место некоторый рост давления на скважинах, что подтверждает результаты моделирования. Заметный рост давления наблюдается в среднем после за­качки одной трети проектного объема воды в скважину. Это под­тверждает неравномерность распространения потока жидкости в массиве, так как уже в начальный период нагнетания часть жид­кости выходит за пределы проектной зоны.

В ходе экспериментальных работ определена технология созда­ния гидродинамического противодействия с помощью вспомога­тельной скважины при минимальных затратах оборудования. На­гнетание в три скважины осуществлялось одной насосной установ­кой, разделение потока жидкости поровну между двумя нагнета­тельными скважинами - счетчиком-расходомером, установленным на устье одной из них, и двумя дросселями. Устье вспомогательной скважины оборудуется манометром и дросселем. Возможность поддержания давления на вспомогательной скважине, достаточного для установления гидродинамического противодействия оттоку жидкости от нагнетательной скважины, обеспечивается тем, что при отключении скважины спад давления происходит гораздо медлен­нее, чем его нарастание при подключении. При нагнетании воды в пласт g₂^Hснижение давления на 20-25% происходит за 20-30 мин, иногда и более. Нарастание давления до предыдущего зна­чения при подключении скважины происходит практически мгно­венно. Количество жидкости, поданное во вспомогательную скважи­ну при периодическом ее подключении на время не более 1 мин, со­ставляет порядка 2% поданного в соседнюю нагнетательную. Это не может сколько-нибудь существенно сказаться на равномерности распределения жидкости в массиве.

При отсутствии счетчиков-расходомеров высокого давления на­гнетание должно осуществляться двумя насосами в три скважины.

Исследование распределения воды в массиве производилось пу­тем отбора проб на содержание влаги в угле с интервалом 3-5 м по длине лавы и 1,5-2 м по направлению ее подвигания. Анализ равно­мерности обработки показывает, что при каскадном нагнетании во­да распределяется по пласту более равномерно, причем применение непрерывной технологии является в этом смысле более предпочти­тельным.

Следует отметить повышение среднего значения прироста влаж­ности в проектной зоне воздействия с 1,3% при обработке через одиночные скважины до 1,6% при непрерывной каскадной обработ­ке. Поскольку во все скважины было подано одинаковое количест­во воды, причиной увеличения наблюдаемого прироста влажности является распространение воды по трещинам в массиве и по кон­такту пласта с боковыми породами за пределы проектной зоны при нагнетании через одиночные скважины.

Суммируя результаты модельных и натурных исследований, мо­жно сделать вывод, что при нагнетании жидкости через каскад длинных скважин по непрерывной технологии обеспечивается уменьшение площади необработанных участков - 50-80%, коэф­фициента вариации прироста влажности - в 1,5-2 раза.

Экспериментальные исследования каскадной обработки на плас­те «Ремовский» шахты им. Калинина проводились при нагнета­нии через короткие скважины. Основной задачей исследований яв­лялась оценка равномерности распределения прироста влажности в плоскости, перпендикулярной напластованию.

Нагнетание воды через каскад скважин производилось двумя насосными установками с одинаковым для обеих скважин темпом. Давление нагнетания в каждой скважине поддерживалось прибли­зительно постоянным. Контроль параметров нагнетания через оди­ночные скважины показал, что темп нагнетания в них может суще­ственно различаться в зависимости от того, в какой пачке находит­ся фильтрующая часть скважины. Так, при расположении фильтру­ющей части в верхней, перемятой пачке темп нагнетания в 5-7 раз меньше, чем при расположении ее во второй или третьей пачке. Поэтому необходимы контроль темпа нагнетания при каскадной об­работке и поддержание его на одинаковом уровне (соответствую­щем меньшему значению) для обеих скважин.

Контроль параметров нагнетания через каскад скважин пока­зал, что при поддержании приблизительно постоянного давления темп нагнетания со временем падает быстрее, чем для одиночных скважин, что свидетельствует о взаимодействии встречных потоков. Таким образом, можно считать установленным, что при нагнетании жидкости через несколько одновременно работающих скважин ос­новным признаком взаимодействия потоков является более интен­сивный рост давления или падение темпа нагнетания, чем при на­гнетании через одиночные скважины на том же пласте.

Распределение прироста влажности в пласте после нагнетания определялось путем отбора проб из каждой пачки по четырем ли­ниям наблюдений, равноотстоящим друг от друга по восстанию пласта. Интервал отбора проб по направлению подвигания выра­ботки в соответствии с глубиной выемки угля составлял 2 м. Установлено, что равномерность обработки через одиночные скважины невысока, причем наименьший прирост влажности на­блюдается в нижней и верхней слабопроницаемых пачках, являю­щихся потенциально выбросоопасными по причине их перемятости.

Каскадная обработка обеспечивает более равно­мерное распределение воды в данной плоскости, в первую очередь, за счет увеличения насыщения слабопроницаемых пачек.

В ходе работ было проведено по три цикла нагнетания через одиночные скважины и каскад. Распределение прироста влажности устанавливалось по каждой зоне в 12 плоскостях. Значения коэф­фициента вариации прироста влажности при обработке через оди­ночные скважины находились в пределах 40-120%, при нагнета­нии через каскад скважин — в пределах 30-50%. При этом также было отмечено повышение среднего значения прироста влажности при каскадной обработке, что объясняется движением воды при нагнетании через одиночную скважину за пределы проектной зоны как по падению, так и по восстанию пласта.

Таким образом, проведенный комплекс экспериментальных на­турных исследований гидродинамического воздействия, а угольный пласт в режиме фильтрации через каскад скважин показал эффек­тивность каскадной обработки как метода повышения равномер­ности распределения жидкости в массиве. По совместным данным теоретических и экспериментальных исследований, применение это­го способа позволяет уменьшить площадь необработанных участков на 50-60% и коэффициент вариации прироста влажности в 1,5- 2 раза. При этом в отдельных случаях возможно повышение сред­него значения удельного насыщения массива жидкостью.

В шахтных условиях отработана технология выполнения спосо­ба, в частности, непрерывной каскадной обработки, позволяющей при прочих равных условиях добиваться максимального повышения равномерности распределения жидкости в массиве.

Результаты исследований позволяют рекомендовать нагнетание жидкости через каскад скважин в целях применения на выбросоопасных угольных пластах для повышения эффективности гидро­динамического воздействия.

Таким образом, предложенная теория гидродинамического воз­действия на угольные пласты в режиме фильтрации позволила рас­считать проницаемость или коэффициент фильтрации пласта, его эффективную пористость и изучить упомянутые выше коллекторские и фильтрационные характеристики пластов, а на основании их определить глубину проникновения и темп нагнетания жидкости в пласт.

Опытная проверка установленных зависимостей между характе­ристиками пласта и параметрами гидродинамического воздействия на пласт на большинстве пластов Карагандинского, Донецкого, Львовско-Волынского бассейнов показала вполне удовлетворитель­ное совпадение экспериментальных и расчетных показателей.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: