Интенсификация добычи метана на метаноугольных месторождениях путем проведения горизонтальных скважин и вибросейсмического воздействи

К сожалению, в настоящее время данная тема плохо освещена в отечественной и зарубежной литературе, отсутствует четкое понимание механизмов влияния вибрации на систему «уголь — метан», а немногие экспериментальные данные весьма отрывочны и неоднозначны.

Вибрационное  воздействие находит все более  широкое применение для интенсификации добычи нефти, причем не только в полевых  экспериментах, но и на промышленном уровне. Поэтому вполне резонно обратиться к накопленному в этой области опыту.

Действительно, в настоящее время можно считать, установленной большую эффективность воздействия упругих волн на призабойные зоны нефтяных скважин. Так, в работе [6] утверждается, что коэффициент успешности применения акустических воздействий на нефтяные пласты составляет 40 %.

В процессе экспериментов  было обнаружено, что реакция флюидных систем на вибрационное воздействие существенно зависит от частоты волн, генерируемых источником. Эффект наиболее значителен на избирательных («доминантных») частотах, характерных для каждого пласта.

Существование доминантных частот подтверждено и  в других экспериментах. Оказалось, что различным нефтяным месторождениям соответствуют разные доминантные частоты, лежащие в пределах 6—40 Гц. Так, в ходе экспериментального исследования вибрационной технологии [9] доминантные частоты определялись по резкому (резонансному) возрастанию уровня сейсмической эмиссии. Исследователи, выполнявшие такие наблюдения, утверждают, что, если вибрационное воздействие проводилось на частоте, совпадающей с доминантной, то вибрационные колебания усиливались. Для объяснения этого эффекта было высказано предположение о трансформации энергии вибрационных колебаний в колебательные движения геоблоков, происходящей на доминантных частотах.

Фактически  параллельно в других работах  исследовались спектры колебаний, возникающих при различных воздействиях на песок, — при ударе по свободной поверхности, при контактном взрыве, при ультразвуковом зондировании, под действием вибратора. Было обнаружено, что при любом первоначальном воздействии по мере распространения волны в массиве ее спектр преобразуется к некоторой определенной частоте, лежащей в области от 1 до 100 Гц. Например, при запуске в морской песок разной водонасыщености ультразвукового импульса отмечается, что, хотя и сухом песке ультразвук исчезает уже через 10 см, а в полностью водонасыщеном он проникает на глубину до 1 м, во всех случаях он генерирует волну с максимальной энергией, приходящейся на 25 Гц. Эта частота была названа доминантой. В дальнейшем установлено, что доминантная частота у глин 40 Гц, у трещиноватых, плотных грунтов— 10 Гц, у эродированных гранитов — 100 Гц [6].

В настоящее  время существование доминантных  частот обычно связывается не с особенностями конкретной физико-химической системы, а со свойствами геологической среды, например, с внутренними структурными резонансам: когда частота распространяющейся волны совпадает с частотой внутреннего структурного резонанса, ее воздействие на среду наиболее эффективно.

Заметим, что, в принципе, воздействие длинными волнами на пласт не столь эффективно. Сила, действующая на элементарный объем среды в волновом поле, пропорциональна ускорению, т.е. величине Аω² (где А амплитуда, ω частота волны). Следовательно, уменьшение амплитуды волны может легко компенсироваться незначительным увеличением частоты волны. Так, значение амплитуды может быть уменьшено в 10⁴ раз, если частота воздействия возрастет всего лишь на 100 Гц. Кроме того, наиболее эффективное воздействие на угольный пласт может быть реализовано только при ультразвуковых волнах, имеющих длину порядка отдельных гранул.

Однако, ультразвук не может проникать глубоко в породу. Например, глубина проникновения ультразвука и песок составляет не более 1 м, если последний не находится под высоким давлением. Поэтому основная идея (6) состоит в том, что энергия сейсмической волны не переход непосредственно в тепло. Вместо этого имеется переток энергии длинных сейсмических волн к более коротким, вплоть до ультразвуковых частот. И только на последнем этапе такого каскадного процесса вследствие интенсивного поглощения высокочастотных волн энергия переходит в тепло.

Здесь важно  подчеркнуть, что в реальных условиях в угольных пластах всегда присутствует ультразвук. Действительно, высокочастотный  сейсмический шум появляется в массиве горной породы при любом деформационном процессе: из-за лунно-солнечных приливов, океанских штормов или других тектонических или технических событий [10]. Вибрационное воздействие также усиливает естественный сейсмический шум — в полевых экспериментах с использованием поверхностных вибраторов было обнаружено и существенное повышение ультразвуковой компоненты в пласте.

Такая интенсификация ультразвука при распространении  низкочастотных сейсмических волн происходит благодаря нелинейным свойствам  горных пород (например, нелинейная упругая  зависимость «напряжение — деформация») [6].

Основными недостатками технологии гидроразрыва являются, прежде всего, уменьшение газопроницаемости угольного массива и результате его увлажнения и смыкание трещин под действием сил горного давления, что влечет за собой снижение эффективности способа, особенно с ростом глубины залегания дегазируемого пласт. Процесс гидроразрыва требует достаточно высокой энергоемкости и определяется тем, что раскрытие и расширение трещин в напряженном газонасыщенном низкопроницаемом угольном пласте возможно только под давлением, обеспечивающим преодоление сил горного давления и расширение трещин как природного, так и технологического характера.

В данных условиях большой интерес  представляет использование  энергии вибрационного воздействия и сил горного давления массива для разрушения угля, что обеспечивает: снижение энергоемкости процесса; интенсификацию скорости и протяженности трещинообразования; глубокую дегазацию и разгрузку низкопроницаемого угольного пласта.

Технологически  процесс трещинообразования и разупрочнения  угля может быть реализован при вибрационном воздействии в заданных частотах и за определенную продолжительность времени. В результате происходит разрушение угля на участке пласта в зоне воздействия, рост и расширение трещин, выделение газа из зоны разрушения массива. Режим вибрационного воздействия в процессе обработки повторяют многократно. Таким образом, созданная зона повышенной нарушенности формирует вокруг себя зону высокой трещиноватости и газопроницаемости угольного массива, в которой раскрытие трещин обусловлено энергией вибровоздействия и влиянием горного давления. Вновь образующиеся трещины обеспечивают рост газопроницаемости угля, при этом увеличивается скорость газовыделения десорбирующегося из угля газа. Поэтому задача заключается в определении и обосновании параметров вибрационного воздействия для поддержания скорости и степени роста трещинообразования при совместном действии горного давления и давления газа в массиве.

Один из методов  направленной активности метаноотдачи — воздействие на уголь волновыми полями, вызывающий изменение физической активности угля по отношению к метану. Причем направление и глубина воздействия развития зависят от условий взаимодействия (частота, амплитуда). Как известно, основная доля метана нетронутого массива угольного месторождения находится в сложной физико-химической связи с углем.

В связи с  тем, что сорбированный метан  динамически удерживается дисперсионными силами, можно утверждать, что эти силы обусловливают физический характер связи метана с углем. Однако, такая связь позволяет осуществить обратимость сорбционных процессов, поэтому при выполнении определенных условий возможен переход молекул метана из связанного состояния в свободную фазу.

При внесении значительной добавочной энергии в  систему «уголь — метан» молекулы связанного метана преодолевают энергетический барьер и эти молекулы переходят в свободное состояние, что и зафиксировали эксперименты, результаты которых будут изложены далее. Предложенная физическая модель качественно описывает экспериментально наблюдаемые закономерности выделения метана из угля. Считая рассматриваемую модель, наиболее близко описывающей реальный процесс, происходящий при вибрационном воздействии на угольный пласт, были проведены исследования по ее практическому подтверждению.

Экспериментальные исследования метановыделения при волновом (колебательном) воздействии на поверхность отдельностей угля показали, что основная частота, при которой максимально активизируется выделение метана, соответствует диапазону 30—40 Гц и амплитуде 4—2,5 мм. Энергии волновых полей исследуемых частот, приводящих к распаду системы «уголь — метан», обусловлены определенной амплитудой и деформационными колебаниями. Поэтому величина энергии, действующей на систему С угля — СН₄ в газонасыщенной системе угля, достаточна для внесения существенных изменений в состояние системы «уголь — метан» и увеличения десорбции метана с поверхности угля.

Сложность построения общей теории разделения гетерогенной системы «уголь — метан» обусловлена  разнообразием механизмов течения  процессов в зависимости от параметров вибрации.

Поэтому основным требованием по повышению метаноотдачи из угольного массива при вибровоздействии является установление определенного соотношения частоты и амплитуды вибрации, при котором создается условие не только для распада этой системы, но и для раскрытия трещин в угле и сохранения их в течение определенного времени. Передача энергии колебания при этом должна быть достаточна для направленного отрыва молекул метана угольного массива и последующего его каптажа из массива через пластовые трещины. Результат воздействия, в конечном итоге, позволит осуществить глубокую предварительную дегазацию и подготовку угольного массива для безопасной отработки еще до начала ведения очистных работ.

В процессе исследований был разработан и аналитически обоснован  механизм вибрационного воздействия на газоносный уголь. Определены также параметры его воздействия (частота, амплитуда). Результаты моделирования в лабораторных условиях позволяют утверждать, что, соблюдая критерии подобия и перенося результаты в натурные условия, полученные результаты применимы для воздействия на газоносные низкопроницаемые угольные пласты с целью интенсификации газоотдачи.

В случае наложения  виброколебаний на газонасыщенный уголь происходит (в каком-то определенном диапазоне частот) резонансное поглощение энергии колебаний от вибратора системой «уголь — метан», и в этот момент нарушается динамическое равновесие между связанным метаном, заключенным в порово-трещиноватой структуре угля. Нарушение динамического равновесия происходит за счет приобретения добавочной энергии от механического (вибрационного) воздействия молекулами связанного газа. В результате эти молекулы преодолевают энергетический барьер — порог энергии активации и переходят из связанного в свободное состояние.

2.3.2 Теоретические основы вибровоздействия на угольные пласты

Условия, при  которых метан выделяется из угля, могут формироваться как за счет виброударов, так и за счет быстрых колебаний определенной амплитуды. В результате длительных опытов установлено, что под влиянием колебаний (вибраций) в определенном диапазоне газовыделение значительно возрастает, однако до определенного значения. Под воздействием вибрации угольная масса приобретает большую подвижность и система «уголь — метан» способна распадаться. Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:

1) увеличение амплитуды колебаний до определенного значения вызывает рост подвижности угольной массы и приводит к возрастанию метаноотдачи из угля;

2) каждая масса угля при определенной амплитуде колебаний имеет оптимум частоты колебаний, выше или ниже которого метановыделение при вибрации снижается.

Можно предположить, что под воздействием вибрации происходит количественное изменение метановыделения из системы «уголь — метан». Такой характер изменения объясняется тем, что под воздействием вибрации разрушается структура «уголь — метан», в результате чего увеличивается метаноотдача.

Характер  изменения метановыделения под воздействием вибрации происходит за счет того, что энергия, сообщаемая вибрацией, в определенном диапазоне, преодолевая силы сцепления молекул метана и поверхности частиц угля, разрушает систему «уголь — метан» и приводит к увеличению метаноотдачи. Новизна вопроса и малоизученность влияния воздействия вибрации на процесс метановыделения из угля требуют проведения специального расширенного исследования на шахтном поле.

Образцы для  опыта были получены из угля фракции  от 0,5 до 5,0 мм. При этом образцы фракции  от 0,5 до 3,0 мм составляли 70 %, а фракции  от 3,0 до 5,0 мм — 30 %. Пробы угля насыщали метаном при давлении 0,11 МПа и  выдерживали от 6 ч до 5 сут. при температуре 19—20 °С. Изменяя параметры вибрационного воздействия, изучали степень метаноотдачи из угля.

Лабораторные  исследования по вибрационному воздействию  на газонасыщенный уголь, выполненные в 1995—1990 гг., позволили определить параметры воздействия и доказали высокую эффективность рассматриваемого метода глубокой дегазации массива (табл. 2.1) Установлено, что при вибрационном воздействии на угольный массив путем помещения угольного вещества в волновое поле, а также изменения характера воздействия наступают десорбция метана и переход его в свободное состояние. Были определены основные параметры (частота и амплитуда), при которых получается наибольшая газоотдача из образца угля.

Приближение частоты вибрации к значениям, при  которых резко увеличивается метановыделение, указывает па протекание процесса отрыва молекул метана и разрушение системы «уголь — метан». Это может быть объяснено интенсивным воздействием вибрации на систему, а также частичным переходом последней в гомогенную систему.