Способ дегазации угольного пласта

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано в основном с целью интенсификации процесса дегазации. Техническим эффектом изобретения является повышение безопасности ведения горных работ за счет более полной дегазации угольного пласта через скважины путем увеличения давления, температуры и радиуса воздействия на трещины и поры пласта. Для этого осуществляют бурение скважины, обсадку и герметизацию ее устья. Нагнетают жидкость через скважину в пласт последовательно в статическом и импульсном режимах. Одновременно осуществляют кумулятивное и тепловое воздействие. Подключают скважины к дегазационному газопроводу и извлекают газ. При этом кумулятивное и тепловое воздействие производят поэтапно: сначала при температуре 80-290⁰ С и давлении 8-15 МПа, затем – при температуре 290-360⁰ С и давлении 15-22 МПа и на третьем этапе – при температуре более 375⁰С и давлении более 22 МПа. На пластах с низкой газопроницаемостью кумулятивное и тепловое воздействие производят при температуре более 375⁰С и давлении более 22 МПа. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к угольной, и может быть использовано для предварительного воздействия на угольный пласт преимущественно с низкой газоотдачей с целью интенсификации процесса его дегазации и снижения газообильности горных выработок, борьбы с внезапными выбросами газа и угля, ослабления массива и снижения пылеобразования.

Известен способ дегазации газоносных сред (патент РФ №2054121, 6 E 21 F 7/00, опубл. 10.02.96, бюлл. №4), включающий бурение скважин, их обсадку, герметизацию устья, нагнетание жидкой среды, силовое воздействие давлением на среду через скважины, при этом силовое воздействие ведут ступенчато с повышением давления в каждой последующей ступени, периодически повышая и сбрасывая давление не ниже половины газового давления пласта до появления устойчивого выхода разупрочненного угля, а последующие извлечения угля и сброс газа ведут последовательно и циклически, контролируя извлечение угля по потере устойчивости выхода угля и количеству извлеченного угля, а сброс газа - по газовыделению среды, контролируя концентрацию газа в выработке.

В современных условиях, когда ставится задача повышения темпов проведения подготовительных выработок и производительности очистных забоев, основным недостатком способа, препятствующим решению этой задачи, является сложность и длительность операций по извлечению угля и сброса газа. При этом не исключены большие сбросы газа, которые могут загазировать горные выработки и, как следствие, привести к нештатным ситуациям: взрывам газа или удушьям шахтеров.

Известен еще один способ дегазации и увлажнения пласта (авт. св. СССР №1809116, E 21 F 7/00, опубл. 15.04.93, бюлл. №14), включающий проведение в пласте параллельно очистному забою и ориентированных под углом к линии очистного забоя скважин, подключение скважин к дегазационному трубопроводу, отсос газа, последующее нагнетание жидкости в массив угля через группу скважин, выдержку жидкости в пласте, слив не использованных в процессе выдержки ее объемов, повторное после слива жидкости подключение скважин к дегазационному трубопроводу и отсос газа в разгружаемой от горного давления зоне пласта, выделение блоков, отделенных друг от друга целиком угля, проведение скважин из одной выработки, при этом в целике угля проводят скважину параллельно очистному забою, а последующее после первичного отсоса газа нагнетание жидкости и ее слив осуществляют через группу перекрещивающихся в блоке скважин и скважину в целике угля перед блоком, причем слив жидкости производят после образования трещин в массиве вблизи скважины, проведенной в целике угля перед блоком.

Основными недостатками этого способа, как и в предыдущем аналоге, являются сложность и длительность операций по извлечению газа, а также недостаточно высокая область воздействия единичной скважины на трещины и поры угольного пласта из-за относительно невысоких давлений нагнетания жидкости.

Наиболее близким по технической сущности является способ дегазации угольного пласта, включающий бурение скважины, обсадку и герметизацию ее устья, нагнетание жидкости через скважину в пласт последовательно в статическом и импульсном режимах, подключение скважины к дегазационному газопроводу и извлечение газа (авт. св. СССР №883509, Е 21 F 5/00, 7/00, опубл. 23.11.81,бюлл. №43).

Основными недостатками этого способа являются отсутствие кумулятивного воздействия и в связи с этим относительно низкие величины давления и температуры, а также небольшой радиус воздействия гидравлического импульса на трещины и поры пласта.

Задача изобретения заключается в повышении безопасности ведения горных работ за счет более полной дегазации угольного пласта через скважины путем увеличения давления, температуры и радиуса воздействия на трещины и поры пласта.

Согласно изобретению эта задача решается тем, что в способе дегазации угольного пласта, включающем бурение скважины, обсадку и герметизацию ее устья, нагнетание жидкости через скважину в пласт последовательно в статическом и импульсном режимах, одновременное кумулятивное и тепловое воздействие на пласт, подключение скважины к дегазационному газопроводу и извлечение газа, кумулятивное и тепловое воздействие производят поэтапно: сначала при температуре 80-290°С и давлении 8-15 МПа, затем при температуре 290-360°С и давлении 15-22 МПа и на третьем этапе - при температуре более 375°С и давлении более 22 МПа.

На фиг. 1 представлена зависимость давления насыщенного водяного пара в равновесии с водой от температуры; на фиг. 2 - зависимость теплоемкости воды и пара от давления и температуры; на фиг. 3 - зависимость давления от температуры при кумулятивном и тепловом воздействии на угольный пласт.

Обоснование достижения положительного эффекта от изобретения с помощью отличительных признаков следующее.

Кумуляция - это концентрация энергии в определенном направлении или в определенном месте. Гидрофобность поверхности угля и наличие нерастворимого газа метана в зоне контакта с водой образуют “слабые места”, снижающие прочность воды на разрыв и являющиеся ядрами зарождения кавитации и кумулятивного воздействия.

Кавитационные процессы происходят при давлениях в пузырьках (кавернах), равных давлению насыщенного пара. Зависимость давления насыщенного пара от температуры представлено на фиг. 1: давление насыщенного пара возрастает с увеличением температуры.

При определенных условиях (например, при давлениях насыщенного водяного пара) полусферические образования в жидкости, например воды в трещинах и порах угольного пласта, содержащих газ (метан), схлопываются, порождая кумулятивные струи. Эти струи и производят разрушение твердого тела, в нашем случае создают расширенную сеть трещин и пор в угольном пласте.

Процесс создания сети трещин и пор предопределен упругой деформацией и движением дислокации. Взаимодействуя друг с другом, дислокации при скорости разрушения 1800 м/с и более способны образовывать ветвление трещин и пор. При кумулятивном воздействии скорость струи (кумулятивных струек) составляет от нескольких сот до нескольких тысяч метров в секунду.

Схлопывание пузырьков метана, находящихся в трещинах и порах и являющихся активными центрами для образования кавитации, приводит к возникновению кратковременных ударных волн с очень высокими давлениями и температурой, при этом только перепады давлений достигают 400 МПа, а температура повышается до 500-800°С.

Полусферическое углубление в воде при контакте с метаном, находящимся в порах и трещинах угольного пласта, не может схлопнуться, не породив кумулятивную струю, поскольку пузырек метана из полусферического (или даже сферического) превращается в тороидальный с последующим образованием высокоскоростной кумулятивной струи, которая “пронизывает” тор в направлении развития трещин и пор.

В конце схлопывания пузырьков газа (метана) совершаемая работа должна превращаться в потенциальную энергию. Максимум давления будет достигаться, когда вся энергия превратиться в энергию сжатия окружающей жидкости. Если же часть этой энергии перейдет в энергию сжатия газа (метана) и затратится на его нагрев, то максимальное давление в жидкости будет ниже и механическое воздействие кавитации окажется слабее. На каждую единицу массы воды при переходе в пар поглощается значительное количество теплоты. Удельная теплоемкость воды при 15°С 4,2 кДж/(кг·К), насыщенного пара при 100°С - 2,1. Кроме того, при нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей. Энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль. Поэтому необходимо дополнительное относительно продолжительное тепловое воздействие.

Тепловое (температурное) воздействие будет особенно эффективно в том случае, когда воздействие осуществляют в материалах с малой теплопроводностью. Теплопроводность углей очень низкая, например, у бурого угля она равняется 0,25 Вт/м·град, у воды 0,5, у пирита 38.

У воды и метана энергии ионизации практически равны и составляют соответственно 1217 и 1227 кДж/моль, а энергии диссоциации при 25°С имеют близкие значения: у воды 498,7 кДж/моль, у метана 435,1. Практически равны и стандартные значения энтропии Н₂O (г) и CH₄ [188,7 и 186,3 Дж/(моль·К)]. Почти одинаковы и изобарные теплоемкости (соответственно 33,6 и 35,7 Дж/(моль·К).

Приведенная энергия Гиббса и приращение энтальпии при вышеуказанных температурах (см. таблицу) свидетельствуют о том, что каждая в отдельности и энергия, и энтальпия воды и метана синхронно возрастают с повышением температуры. Для конкретно взятой температуры их величины практически равны, т.е. вода и метан не будут противодействовать друг другу при воздействии на трещины и поры, поскольку чем меньше различие в напряженности молекулярных сил, тем меньше потенциальная энергия междуфазовой поверхности (графит представлен в качестве аналога угля).

Неровные поверхности дегазационных скважин способствуют образованию кумуляции, поскольку шероховатость поверхности в некоторой части цикла изменяет направление течения на противоположное и ускоряет зарождение кавитации. Предельным случаем шероховатости является острая кромка с нулевым радиусом.

Параметры кумулятивного и теплового воздействия (фиг. 2) обоснованы точками пересечения кривых теплоемкостей воды и пара в функциях c_p=f[Р_в, Р_п) и c_p=f(t_в, t_n). При поэтапном воздействии нижние пределы параметров давления и температуры на первом этапе составляют 8 МПа и 80°С, верхние 15 МПа и 295°С, на втором - в пределах 15-22 МПа и 290-360°С, на третьем - величины давления и температуры, лежащие выше критических (для воды 22,12 МПа и 374,2°С). Верхний предел давления (15 МПа) на первом этапе воздействия принят как средняя величина значений 8 и 22 МПа.

Способ дегазации угольного пласта осуществляется следующим образом.

Производят бурение скважины, обсаживают трубой и герметизируют ее устье. Устанавливают оборудование, нагнетают жидкость (воду) через скважину в угольный пласт последовательно в статическом и импульсном режимах. После нагнетания жидкости в импульсном режиме осуществляют одновременно кумулятивное и тепловое воздействие. При этом в зоне отрыва каверны (пузырька) жидкость превращается в пар, и более того, при использовании генератора для воздействия на трещины и поры в угольном пласте продукты химической реакции в виде газа с высокой температурой, давлением и с большим расходом вдувают в зону отрыва. Вдув газа в зону отрыва и шероховатости поверхности скважины способствуют зарождению кавитации и кумулятивному воздействию, создавая импульс силы давления.

При разовом применении способа дегазации угольного пласта с низкой газоотдачей кумулятивное и тепловое воздействие осуществляют при температурах и давлениях воды, лежащих выше критических, т.е. соответственно более 375°С и 22 МПа.

В процессе поэтапного применения способа в зависимости от характеристики пласта кумулятивное и тепловое воздействие осуществляют при параметрах, определяемых в соответствии с графиком (фиг. 3). На первом этапе воздействуют на пласт жидкостью, например, при температуре 150°С с давлением 9,5 МПа, на втором - при температуре 340°С с давлением 19 МПа, на третьем - при температуре 440°С с давлением 30 МПа. При необходимости дополнительное кумулятивное воздействие повторяют, изменяя его параметры (температуру и давление жидкости).

Кумулятивное и тепловое воздействие осуществляют, например, с помощью генератора импульсов давления. Параметры температуры и давления соблюдают подбором типа и количества пороховых или иных зарядов.

Температурное (тепловое) воздействие позволит освободиться от влаги, находящейся в трещинах и порах, прилегающих к скважине, и освободить пути истечения метана из массива угля в скважину, поскольку во все стороны от скважины вода в трещинах и порах перераспределяется весьма неравномерно. Ее содержание резко повышается в трещинах и порах пласта, прилегающих к скважине, снижаясь до естественной влажности на некотором отдалении от скважины. Тепловое воздействие позволит превратить (в предельном случае “выжечь”) в пар воду, находящуюся в трещинах и порах пласта и прилегающую к стенкам скважины, освобождая при этом пути для истечения метана.

После кумулятивного и теплового воздействия скважины подключают к дегазационному трубопроводу и извлекают газ.

В качестве генератора, устанавливаемого на устье скважины, можно использовать "Установку для генерации гидравлических импульсов давления" (пат. РФ №2127364) или широко используемый в нефтяной промышленности "Пороховой генератор давления, бескорпусной ПГД.БК", который вводится непосредственно в скважину.

Для снижения реактивной отдачи и положительного ее использования кумулятивное и тепловое воздействие на массив угля осуществляют одновременно через противоположно соосно расположенные скважины (влево - вправо, вверх - вниз).

В прототипе в процессе проведения гидравлической обработки угольного пласта не указаны поэтапное воздействие и параметры давления и температуры, при которых эффективности воздействия на массив и дегазации угольного пласта повышаются.

В современных условиях, когда требуются высокие показатели по выемке угля и проведению подготовительных выработок в более короткие сроки, необходимо время процесса дегазации сокращать, например, путем ветвления сети трещин и пор. Обширное ветвление сети трещин и пор при дегазации с применением гидроразрыва или гидрорасчленения получить невозможно, поскольку при этом в течение длительного времени закачивается не менее 30-40 м³/ч и в результате получают только сеть магистральных трещин.

Предлагаемый способ дегазации угольного пласта позволит интенсифицировать съем метана, в том числе из пластов с низкой газопроницаемостью, снизить газообильность горных выработок, обеспечить безопасные условия труда шахтеров, в первую очередь по газовому фактору. Интенсификация процесса дегазации угольных пластов будет способствовать извлечению кондиционного метана для выработки электроэнергии и тепла, заправки автомобилей газом, использования в химической промышленности.

Формула изобретения

Способ дегазации угольного пласта, включающий бурение скважины, обсадку и герметизацию ее устья, нагнетание жидкости через скважину в пласт последовательно в статическом и импульсном режимах, одновременное кумулятивное и тепловое воздействие, подключение скважины к дегазационному газопроводу и извлечение газа, отличающийся тем, что кумулятивное и тепловое воздействие производят поэтапно: сначала при температуре 80-290°С и давлении 8-15 МПа, затем - при температуре 290-360°С и давлении 15-22 МПа и на третьем этапе - при температуре более 375°С и давлении более 22 МПа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3