автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка технологии заблаговременной дегазации высокогазоносных мощных угольных пластов путем циклического пневмогидродинамического воздействия

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

На правах рукописи МУЛЛАГАЛИЕВ Фандус Ахметгалиевич

УДК 622.831.325.3(574.31)

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЗАБЛАГОВРЕМЕННОЙ ДЕГАЗАЦИИ ВЫСОКОГАЗОНОСНЫХ МОЩНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПУТЕМ ЦИКЛИЧЕСКОГО ПНЕВМОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.26.01 —«Охрана труда и пожарная безопасность»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском государственном горном университете и Управлении «Спецшахтомонтаждегазац'ия» производственного объединения «Карагандауголь».

Научный руководитель докт. техн. наук СЛАСТУНОВ С. В.

Официальные оппоненты: проф., докт. техн. наук АЙРУНИ А. Т., канд. техн. наук СОБОЛЕВ В. В.

Ведущее предприятие — ВостНИИ. ВОРКУТИНСКОе ОТДШВИе '

состоится « Л.9:» . 1994 г.

К-053.12.02 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-49, Ленинский пр., 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ученый секретарь специализированного совета

канд. техн. наук, вед. научн. сотр. КОРОЛЕВА В. Н.

на заседании. специализированного совета

Автореферат разослан

ОБ!Щ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В странах СНГ из общих запасов минерального топлива большая часть приходится на уголь, причем его запасы, составляющие около 6800 млрд.т, расположены в самых различных горно-геологических условиях. Сравнительная доступность месторождений и техническая простота их эксплуатации обеспечивают углю важнейшую роль в топливном балансе государств. Однако доля шахт, имеющих метанообилькость свыше 15 м3/т и отрабатывающих пласты, опасные по внезапным выбросам угля и газа,весьма велика и составляет около 70?.Перед угольной промышленностью встает своеобразный "газовый барьер". Повышение производительности шахт и забоев, интенсификация процессов добычи угля, применение высокопроизводительных машин и увеличение метаноносности угольных пластов с углублением горных работ привели к такому росту метанообильности выработок, что обеспечение безопасных условий труда стало одним из самых "узких" мест при проектировании шахт.

Учитывая тот факт, что на шахтах III 'категории и сверхка-тегорных по газу возможности вентиляции как средства борьбы о газом практически исчерпаны уже на современных глубинах, особую актуальность приобрела проблема разработки эффективных способов дегазации угленосной толщи. Локальные методы дегазации, применяемые в настоящее время на шахтах Карагандинского бассейна по ряду технологических и временному факторам, не в состоянии кардинально решить эту проблему. Одним из перспективных региональных методов является подготовка шахтных полей с использованием гидрорасчленения угольных пластов. Этот метод позволяет снижать в различных горно-геологических условиях газообильность горных выработок на 40-85Х, извлекать из одной скважины при сроке эксплуатации 2-6 лет от 0,5 до 2,5 млн.м® метана, который может быть полезно использован в энергетических и многих других целях. Однако в некоторых горно-геологических и горнотехнических условиях способу гидрорасчленения при его традиционном применении присущ ряд недостатков, кого-

рые будут проанализированы ниже. Настоящая диссертационная работа посвящена актуальной проблеме выявления закономерностей снижения эффективности заблаговременной дегазации шахтных полей и метанодобываемости скважин из неразгруженных низкопроницаемых угольных пластов, залегающих на больших глубинах,и разработке технологии, обеспечивающей существенное снижение газо-выдедения в горные выработки и добычу кондиционного метана для его промышленного использования.

Цель работы - установление зависимости темпа нагнетания рабочей жидкости в процессе пробных закачек от давления нагнетания в начальной стадии гидродинамического воздействия на неразгруженный угольный пласт.для разработки технологии циклического пневмогидродинамического воздействия, позволяющей повысить эффективность дегазации обрабатываемого пласта.

Идея работы состоит в том, что повышение эффективности дегазации может достигаться путем повышения энергоемкости собственно процесса его гидрообработки, учета основного целевого назначения последней (добыча метана, глубокая дегазация) и соответствующей корректировке основных параметров пневмогидродинамического воздействия на дегазируемые угольные пласты.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

- гидродинамическое оостояние неразгруженного угольного пласта может быть определено на оонове анализа пробных закачек, отличавшегося выявлением фактического режима последних в сравнении с известными индикаторными кривыми;

- на больших глубинах залегания дегазируемых угольных пластов традиционная технология заблаговременной дегазации шахтных полей с использованием гидрораочленения угольных, пластов не обеспечивает требуемой эффективности по извлечению газа и дегазации массива без ее совершенствования, основные направления которого отличаются учетом энергоемкости раскрытия трещин, необходимостью обязательного достижения режима расчленения угольного пласта за счет существенного увеличения темпа нагнетания воды и снижения гидравлических потерь переходного участка "скважина-пласт" на основе применения круговой щелевой пер-

форации, а также возможности замены части жидкого рабочего агента на газообразный;

- при применении пневмогидродинамического воздействия на угольные пласты в условиях газодобывавдих комплексов (основное целевое назначение - добыча метана) большая часть жидкого рабочего агента должна быть заменена на газообразный, расчет основных параметров нагнетания последнего отличается учетом фактора заполнения всего фильтрационного объема дегазируемого пласта;

- методика расчета основных технологических параметров пневмогидродинамического воздействия на низкопроницаемые угольные пласты, отличающаяся учетом фильтрующей пористости пласта по газу, фактического давления и температуры нагнетания рабочего агента, суммарного коэффициента потерь при определении параметров вторичного, пневмовоэдействкя на угольные пласты.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

. - аналитическими исследованиями режимов гидродинамических воздействий и процессов пневмогидрсмассопереноса в угольных пластах;

- положительными результатами исследований динамики газовыделения из скважин в зонах пневмогидродинамического воздействия и пневмогидродкнамических испытаний зкспериментальных скважин;

- результатами подземных наблюдений по оценка эффективности разработанной технологии при проведении подготовительных горных работ в зонах обработки;

- удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований по определению параметров вторичного пневмо-воздействия на угольные пласты с результата},ш фактических наблюдений на соседних скважинах (расхождение не более 20Х).

Научное значение работы заключается в установлении методического подхода к анализу гидродинамического состояния неразгруженного угольного пласта на основе исследования режимов пробных закачек и разработке методики расчета основных параметров пневмогидродинамического воздействия на низкопроницаемые угольные пласты.

Практическое значение работы состоит в разработке технологической схемы пневмогидродинамического воздействия на низкопроницаемые угольные пласты и определении основных технологических параметров в заданных горно-геологических условиях шахтных экспериментальных работ.

Реализация выводов и рекомендаций. Рекомендации по технологии пневмогидродинамического воздействия на низкопроницаемые угольные пласты и расчету основных технологических параметров были попользованы:

- в разработанных, согласованных, утвержденных в установленном порядке и реализованных на шахтных полях им. Ленина и "Сокурская" ПО "Каратандаугодь" проектах на заблаговременную дегазацию свит высокогазоносных угольных пластов;

- в "Методике экспериментальных работ на шахтах по совершенствованию метода гидрорасчленения угольных пластов путем пневмотеплового воздействия", утвержденной секцией Центральной комиссии по борьбе с выбросами угля, породы и газа (М., 1988);

- в "Программе и методике шахтных испытаний технологии заблаговременной дегазации угленосной толщи путем пневмогидро-воздействия через скважины с поверхности", утвержденной Минуг-лепромом СССР (Москва-Макеевка-Караганда, 1991);

- во "Временном руководстве по заблаговременной подготовке шахтных полей к эффективной-разработке скважинами с поверхности с пневмогидровоздействием на свиту угольных пластов", утвержденном Минуглепромом СССР (М., 1991).

Апробация работы. Основные положения диссертационной■работы были доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции "Теория и практика гидроразрыва пластов" (Ленинград, 1987), на Всесоюзной научно-технической конференции "Интенсивные и безотходные технологии разработки, месторождений угольной и сланцевой промышленности" (Караганда, 1989), VIII Всесоюзном совещании по управлению вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах (Академгородок СО АН СССР, 1991), научной конференции "Неделя горняка" (Москва, 1994), а также на заседаниях ученых советов МакНИИ, КНИУИ, МГИ, технического совета производственного объединения "Карагандауголь", на научных семинарах и со-

вещаниях в Главном управлении техники безопасности, горноспасательных частей и охраны труда Минуглепрома СССР, в отделе дегазации МакНИИ и в Раменском отделении ВНИПИВэрывгеофизики.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 статей.

Объем работы. Диссертационная работа оостоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 52 наименований, содержит 207 страницы машинописного текста,в том числе 59 рисунков и 2Л таблиц.

Автор выражает благодарность коллегам и участникам выполненной работы: руководителю научного направления - проф., докт. техн.наук Ножкину Н.В., научному руководителю работы-проф. кафедры АОТ, докт. техн. наук Слаотунову C.B., научным сотрудникам Соколову А.Б., Ворошилову 0.0. и Карпову З.М. (МГГУ), начальнику управления, канд.техн.наук Швецу И.А., инженерам Боярчуку Н.К., Дутову В.А., Аргееву С.А., Романькову Н.В. (УСИВД ПО "Карагандауголь").кандидатам техн.наук Шарипову Н.Х., Ахметбекову Ш.У., Ли К.Д., Усенбекову М.С. и Атыгаеву Р.К. (КНИУИ) за помощь и активное участие в выполнении сложных экспериментальных работ, результаты которых использованы автором в настоящей работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Совершенствование технологии горного производства включает в себя и развитие способов дегазации угольных пластов для создания безопасных условий труда горнорабочих и повышения интенсивности горного производства. На сверхкатегорийных по газу шахтах возможности вентиляции как средства борьбы с газом на современных глубинах разработки угольных месторождений практически исчерпаны. Для снижения метанообильнооти шахт применяется дегазация, являющаяся основным источником попутно извлекаемого при разработке угольных пластов метана промышленной концентрации. Угольная шахта может являться производителем не только угля, но и не менее ценного топлива - метана.

Й плане комплексного подхода к проблеме дегазации и добы-

чи метана перспективным может считаться заблаговременная подготовка угольных месторождений к безопасной и эффективной отработке с использованием активных воздействий на угольные пласты, в частности - гидрорасчленения.

Заблаговременная дегазация путем гидравлического расчленения угольных пластов может являться основой для создания эффективных способов добычи метана из угольных пластов, что подтверждается опытом аналогичных работ в США, где в настоящее время ежегодно более 2000 скважин дают природный метан из угольных пластов и обеспечивают ежегодную добычу до 10 млрд. м3. В нашей стране основной целью гидрорасчленения угольных пластов является заблаговременная дегазация. Извлечение метана, как правило, является попутным. В 1957 году Н.В.Ножкин предположил и позднее осуществил первые опытные экспериментальные работы по гидравлическому расчленению угольных пластов. В разработку технологии заблаговременной дегазации и промышленные испытания способа также большой вклад внесли Еурча-ков A.C., Васючков Ю.Ф., Ярунин С.А., Швец И.А., Громов В.А., Буханцов А.И., Шарипов Н.Х. и другие.

Развитию способа поовящены исследования Ахметбекова Ш.У., Аниканова В.М., Анпилогова Ю.Г., Варыпаева В.В., Королевой В.Н., Красюка H.H., Липы В.И., Ли К.Д., Лукаша A.C., Пережилова А.Е., Раимжанова Б.Р., Селиванова Г.И., Сластуксва С..В., Терентье-ва Б.Д., УсенЗекова U.C. и некоторых других. В настоящей работе исследуются особенности механизма гидравлического воздействия на угольные пласты в условиях постоянно увеличивающейся глубины их залегания, гидродинамического состояния последних для разработки усовершенствованной технологии пневмогидродинамического

»

воздействия, обеспечивающего надежное раскрытие основных систем трещин в пласте и их эффективное функционирование в качестве газоотаодящих систем по извлечению метана на поверхность.

: Основные задачи исследования:

1. Аналитически исследовать известные режимы внедрения текучего (вода, газ) в угольный пласт.

2. Выявить основные законы движения флюидов в неразгруженных угольных шахтах.

3. Изучить фильтрационные свойства угольного пласта как объекта активного воздействия.

4. Установить зависимости темпа нагнетания рабочей жид-

кости в процессе пробных закачек от давления нагнетания в начальной стадии гидродинамического воздействия на неразгруженный угольный пласт.

5. Проанализировать основные факторы, предопределяющие интенсивность газовыделения в горные выработки в процессе эксплуатации шахты.

6. Проанализировать неудовлетворительные результаты натурных экспериментов на шахтных полях Карагандинского бассейна по активным воздействиям на высокогазоносную толпа' в поверхности для определения возможных направлений совераенствовакия технологии.

7. Разработать технологию эффективного воздействия на угленосную толщу для ее дегазации.

8. Провести натурные эксперименты разработанной технологии активного воздействия на угленосную толщу.

9. Оценить технико-экономическую эффективность технологии и определить ее область ее применения.

Режимы нагнетания текучего в пласт исследовались многими авторами (Ножкин Н.В., Васючков Ю.Ф., ЯрунинС.А., Чернов О.И., Ло Н.Г., Черкасов B.C., Горбачев А.Г.). Угольный пласт можно рассматривать как типичный образец «трещиновато-пористой среды, т.е. среды, состоящей из кристаллов, зерен и цементирующей массы, между которыми располагаются дефекты - Поры. Кроме того, среда всегда имеет блочное строение, обусловленное наличием трещин различного генезиса.

Напорный массоперенос характеризуется тем, что давление флюида в нагнетательной скважине и массиве больпе, чем сопротивление фильтрующих трещин и пор, оказываемое ими при перемещении текучего. Возможны три активных режима нагнетания флюида в породный массив: фильтрация, флаидорасчленение и флюидораз-рыв. При заблаговременной дегазации угольных пластов путем активных воздействий а подавляющем большинстве случаев реализуется режим флюидорасчленения, параметры и механизм которого в известной степени изучены. Режим флюидорасчленения реализуется при давлении нагнетания:

где €) - минимальная составляющая поля напряжений в массиве;

" р - средняя плотность вышележащих пород; с<= б* - коэффициент уменьшения составляющей поля напряжений по отношению к литостатическому горному давлению (например, для Кузбасса, по данным Чернова О.И., - 0,75).

^ - ускорение свободного падения,

Н - глубина залегания пласта. .

Режимы воздействия на угольный пласт разделяются по механическим результатам через индикаторную функцию давления нагнетания Р от темпа д. Характерной чертой режима гидрорасчленения является нарушение линейной зависимости Р(ч). Момент реализации процесса гидрорасчленения пласта в зоне обработки фиксируется по относительной стабилизации давления.

При гидрорасчленении угольного пласта в основном раскрываются вертикальные трещины пласта. Проницаемость самих угольных пластов очень мала, влияние трещин на общую проницаемость весьма значительно. Попытки определения размеров раскрываемых в горных породах трещин производились многократно. На глубокой физической основе связь размеров трещин с показателями гидроразрыва нефтеносного пласта дана в работах Баренблатта Г.И.,. Желтова Ю.П., Христиановича С.А. В угольном пласте в отличие от нефтеносного имеется большое количество естественных трещин различной степени раскрытия, протяженности и формы. Поэтому постановка задачи должна быть иной, с учетом составляющей расхода рабочей жидкости в трещины экзогенного и эндогенного происхождения.

Рабочая жидкость при гидрорасчленении пластов на водной основе играет противоречивую роль - с одной стороны повышается общая проницаемость пласта и замещается метан в сорбционном объеме угля, с другой стороны снижается фазовая проницаемость пласта для метана. Выбор объема закачки является сложной задачей. 'Обобщение опыта показывает,, что при наличии Б-7 лет и более времени на дегазацию объемы закачки воды при гидрорасчленении могут составлять ориентировочно порядка 1000 м3 на 1 м мощности дегазируемого пласта. При времени дегазации около 3 лет удельный объем должен быть сокращен до 200-300 м3 на 1 м мощности со значительны).) при этом увеличении темпа закачки.

Эффективность дегазации при прочих равных условиях зависит от времени дегазации, пластового давления, степени вакуу-

мирования скважины и гаэопроводности объекта дегазации.

Б свете изложенных и проанализированных в работе представлений о механизме гидравлического воздействия на угольные пласты и факторов, влияющих на эффективность дегазации,был выполнен анализ возможностей применения традиционной технологии заблаговременной дегазации угольных пластов путем их гидрорасчленения на глубинах более 600 м в условиях Карагандинского бассейна для обеспечения эффективного функционирования газодобывающего комплекса, основное целевое назначение которого -добыча метана, а дегазация массива - последующая, значительно во времени отдаленная цель. Последний фактор предопределяет достижение глубокой дегазации на базе интенсивного извлечения значительных объемов газа на поверхность.

В качестве объекта анализа был выбран участок газсдобыва-ющего комплекса на восточном крыле шахтного поля "Сокурская". Выбор этот был обоснован крайне неудовлетворительными результатами по извлечен™ метана на поверхность в течение трех лет после гидравлической обработки свиты из четырех пластов. Общий съем метана из каждой скважины не превышал 10-30 тыс. мэ при крайне незначительном дебите. Необходимо было дать объективную оценку газогидродинамического состояния угленосной тслщи, качества проведенных работ по ее гидравлической обработке и перспективам дальнейшей эксплуатации скважин.

Исходным фактическим материалом для анализа явились данные проведения 66 пластооперзции по обработке пластов К7, Кю, Кц и К12 Через скважины NN 12-25. Зти данные были получены путем ручной записи давления с манометра и ручной записи числа работающих агрегатов, передачи и оборотов двигателя.о последующим вычислением расхода. Фактические материалы прежде всего сопоставлялись с классической индикаторной функцией Р(ч) на предмет идентификации режимов воздействия, реализованных на практике.

На рис. 1 показана зависимость Р — f(q) в начальной стадии процесса гидрсрасчленения, обобщенная по всем пластам свиты на поле шахты "Сокурская". Анализируя полученные графики, можно сделать вывод о качестве гидрорасчленения каждого из обработанных пластов в среднем, т.е. произвести обобщенный анализ. в нашем случае можно утверждать, что процесс гидрорасчленения -не шел места в завершенном виде ни для одного пласта,

Iß

однако наиболее близкий к гидрорасчлененки режим был осуществлен при обработке пласта К7. При обработке остальных пластов темп нагнетания рабочей жидкости не достиг требуемой величины. Более точная картина представлена на графиках, построенных с помощью ЭВМ для каждой пластооперации и приведенных в работе. Эти графики' подтверждают сделанный вьппе вывод о недостаточном темпе нагнетания рабочей жидкости в обработанные пласты, что наряду с завышенными объемами закачки предопределило неудовлетворительный дебит метана из скважин до настоящего времени.

На<и были разработаны рекомендации по совершенствованию технологии заблаговременной дегазации угольных пластов с использованием активных воздействий для достижения необходимой эффективности по извлечению (добыче) метана на поверхность. Основными из них явились следующие:

1. Обеспечить реализацию процесса гидрорасчленения обрабатываемых пластав, для чего:

а) обеспечить возможность закачки рабочей жидкости с большим темпом нагнетания вплоть до максимально допустимого 0,15 мэ/с;

б) снизить до минимума гидравлические потери в системе "скважина-пласт", для чего разработать Технологию создания сплошной щелевой круговой перфорации обсадной колонны и исследовать ее надежность.

2. Устранить вероятность смыкания трещии, для чего гидро-Еоздействие проводить циклически и в чеише циклы предусмотреть подачу в пласты крепителя - кварцевого песка. Эта рекомендация обусловлена тем, что на глубинах более 600 м величина горного давления приближается к пределу прочности углей на сжатие и имеются некоторые основания предположить снижение в этих условиях устойчивости трещин в поле действия естественных сжимающих напряжений, что отчасти подтверждалось результатами интенсивного самоизлива жидкости после проведения первоначального гидравлического воздействия.

3. Уменьшить степень снижения фаговой проницаемости плзз-та для извлекаемого метана за счет сокращения объемов нагнета-кия жидкого рабочего агента (не более 200 м3 на 1 м мощности обрабатываемого пласта, т.е. в 5 раз).

4. Для создания единой газоотводящей системы трещин, ориентированной к скважине, необходимо в процессе нагнетания

обеспечить заполнение всего фильтрующего объема между скважинами; для чего предусмотреть после гидрообработки вторую стадию работ - пневмообработку пластов. Кроме того, нагнетание газообразного рабочего агента в процессе пневмообработки направлено на решение дополнительной задачи - частичное оттеснение рабочей жидкости из сильно обводненной призабойной зоны. При пневмовоздействии повышающееся пластовое давление способствует дальнейшему распространению влаги в пласте, что особенно важно для -увеличения равномерности обработки зоны гидрорасчленения. По завершении нагнетания в пласт расчетного количества газообразного рабочего агента и выдержки его в пласте для полного завершения процессов перераспределения влаги в пласте скважина открывается и осуществляется выпуск закачанного газа. В этот период происходит понижение пластового давления и осуществляется газлифтная откачка воды из пласта, что существенно интенсифицирует процесс удаления из скважины и пласта воды, резко снижает фазовую проницаемость пласта для метана и приводит к росту газовыделения из скважины. Пневмовоздействие производится заблаговременно и к моменту ведения горных работ в обработанной зоне создается благоприятная обстановка с пониженным водо- и газавыделением в выработках.

При использовании теории Бакдея-Леверетта по изучению фильтрации двухфазной жидкости в пористой среде и известные уравнения, описывающие вытеснение нефти водой получена формула для определения радиуса оттеснения жидкости расчленения: ■

'/Р^о-'М] (г)

где/д„вязкости воздуха и воды;

расход воздуха в пластовых условиях, м3/ч;

-I - продолжительность закачки воздуха, ч;

Ь - мощность пласта,, м;

6 - водонзсыщенность угля, доли ед.

Основной целью пневмовоздействия необходимо считать в первую очередь нагнетание в обрабатываемый угольный пласт или свиту пластов газообразного рабочего агента для раскрытия, а главное, пневмообъединения фильтрующих газ пор и трещин в единую систему, ориентированную к нагнетательной скважине. Эта

система после стравливания давления должна служить в качестве газоотводящей для метана к скважине и дальше - на поверхность. Пневмообъединяемые каналы должны Сыть устойчивы без дополнительного их закрепления вследствие сравнительно малых размеров. Кроме того, может иметь место положительный тепловой фактор, связанный с выделением тепла при адсорбции газообразного рабочего агента в поровом пространстве угля и замещением по тепловому механизму метана.

Объем закачиваемого в массив газообразного агента в общем случае определяется по фактору заполнения всего фильтрующего объема в зоне обработки по следующей зависимости:

Рнагн - давление нагнетаемого рабочего агента, МПа;

Рпл - пластовое давление, МПа; г - коэффициент сверхсжимаемости агента (0,9-0,95);

Тв - температура нагнетаемого агента, °К;

К1 - суммарный коэффициент потерь (1,2-1,8);

Тпл - температура пласта после нагнетания, °К;

Ре - барометрическое давление, МПа.

Для включения в проект рекомендаций в части применения после гидрорасчленения вторичного пневмовоздействия был проведен поисковый эксперимент на скв. N 16 поля шахты _"Сокурская'*, характеризующейся явно неудовлетворительными показателями по извлечению'метана (к моменту проведения экспериментальных работ па пневмовоздействию среднее газовыделение за все время эксплуатации составляло порядка 0,02 мэ/мин, а общий съем метана за 20 мео. - 25 тыс.м3).В качестве газообразного рабочего агента в процессе пневмовоздействия нагнетали газообразный ааот установкой АГУ-8К. После окончания нагнетания проектного

(3)

где I? - рэдиус воздействия, м;

И - мощность пласта или свиты, м; Стф -. фильтрующая пористость пласта по газу;

объема азота (75ООО и3) скважина оставалась закрытой в течение 14 сут. для реализации энергии рабочего агента на проникновение последнего в глубь массива и повышения тем самым равномерности обработки и релаксации напряжений, возникающих при раскрытии трещин. После того как давление азота снизилось до величины, превышающей в 1,1-1,2 раза величину пластового давления, и составило 4,0 МПа, скважина была открыта для медленного стравливания с тем, чтобы при резком охлопывании пласта не нарушить образованную в массиве в процессе закачки азота газопроводную систему трещин, ориентированную к скважине. Через 3 суток после открытия в скважину была опущена внутренняя колонна и начата эрлифтная откачка воды. Эрлифтная откачка велась 6 суток, после чего на скважине был смонтирован станок-качалка. В дальнейшем в течение трех месяцев велись наблюдения на скважине по определению ее дебита, концентрации метана и определению газового состава смеси. Аналогичные наблюдения для сравнения велись на соседних скважинах данного шахтного поля. Динамика извлечения метана из скважин гидрорасчленения NN 12-25 приведена на рис. 2. Из графиков наглядно видно резкое увеличение объема метана после проведения пневмовоздействия на скв. N 16 с 0,02 до 0,5 м'/мин, в то время как практически на всех остальных скважинах данного шахтного поля, исключая лишь скв. N 24, динамика газовыделения продолжала носить стабильно неблагоприятный характер. В процесое закачки азота в скв. N 16 обнаружилась пневмосбойка . со скв. N 24, что привело к тому, что на период закачки азота был снижен дебит метана из скв. N 24 и изменился качественный состав гааовыделения. После стравливания азота из скв. К 16 концентрация и дебит метана из скв. N 24 не только восстановился, ко и имело место увеличение дебита метана с 0,5 до 0,7 м3/мин со стабильным превышением в течение трех месяцев своего прежнего уровня, что подтвердило тот факт, что после пневмовоздействия имело место извлечение газа за счет углубления дегазации,, а не перераспределения газа между соседними скважинами (рис. 3).

Разработанные рекомендации по совершенствованию технологической схемы пневмогидродинамического воздействия на малопроницаемые высокогазоносные мощные пласты и методика расчета основных технологических параметров вошли в проект на дегазацию пластов Кю и К12 на поле шахты "Сокурская", согласованный

{Н

в установленном порядке и утвержденный техническим директором ПО "Карагандауголь".Проект Оыл реализован на скважинах N 26,27.

Работы проводились в следующей последовательности: сначала был отработан пласт Кю через скв. N 2S, 27, после пересыпки пласта Кю через год был обработан пласт К12. Впервые вскрытие пластов было осуществлено круговой сплошной перфорацией колонны путем вращения става НТК с перфоратором установкой 1Б-15 В. Объемы закачки воды в каждый пласт составили 1000-1300 м3, темпы нагнетания 0,12-0,15 м3/с при максимальном давлении 15 МПа. Гидрорасчленение проводилось 10 рабочими агрегатами 4АН-700. Из 10 агрегатов первый и второй имели обособленный ввод, остальные присоединялись к блоку манифольда попарно. Для закрепления трещин в пласте во второй цикл воздействия нагнеталась водопесчаная смесь. Зависимость давления нагнетания от темпа при расчленении одного из пластов приведена на рис. 4. Аналогичный характер имели эти зависимости для всех без исключения четырех проведенных пластоопераций. Сравн.чие этой зависимости с индикаторной P(q) позволяет однозначно утверждать, что процесс гидрорасчленения пластов на том же шахтном поле "Сокурская" с неблагоприятными горно-геологическими условиями был достигнут. По завершении нагнетания проектных объемов вода скважины открывали через 24-72 часа. По завершении интенсивного самоизлива в пласты закачивали газообразный азот в объеме от 80 до 120 тыс.м3. Работы по освоению скважин к моменту написания работы не завершены, однако уже через 2 месяца после начала интенсивного схзвоения дебит метана из обработанных скважин составил 0,25-0,4 м3/мин при концентрации метана 70-95*. Проведение пневмогидродинамического воздействия подтвердило перспективность усовершенствованной технологии. Из 14 скважин данного шахтного поля, обработанных по традиционной технологии, 13 скважин имели через три года уровень дебита 0,1 м3/мин, лучшая скв. N 24 вышла на этот сравнительно незначительный уровень 0,1 м3/мин через 3 месяца, тогда как скв. N 26, несмотря на то что были обработаны лишь два пласта вместо четырех, вышла на уровень 0,3 м3/мин менее чем через один месяц после начала освоения.

Ранее работ на поле шахты "Сокурская" были проведены натурные исследования заблаговременной дегазации шахтного поля им. Ленина с близкими параметрами - закачка воды о темпом овы-

ше 0,09 мэ/с, объемом газообразного рабочего агента во вторую стадию 95000 мэ (скв. N 2, 3, 4). Особый интерес эти работы представляют в том плане, что к моменту написания настоящей работы из обработанных скважин уже были извлечены существенные для практики объемы метана и это позволяет получить более достоверные и представительные данные по апробации технологии на скважинах и оценке ее эффективности при ведении горных работ в зонах заблаговременной дегазации.

Оценка эффективности проводилась совмеотно с сотрудниками КНИУИ в зонах скв. N 3, 4, из которых было соответственно извлечено в процессе эксплуатации скважин на поверхность 1,0 и 1,5 млн.м3 метана. На рио. 5 показано изменение метановыделе-ния с обнаженных поверхностей пласта выработок, одна из которых (2) (рио. 6) проводилась вне зоны, а втораяДО- в зоне обработанных скважин. Чтобы исключить влияние неравномерности г.одви-гания забоя выработки, было произведено сравнение значений ме-тановыделения с обнаженных поверхностей пласта- при примерно одинаковых темпах проведения выработки (3,6-4,0 м/сут) вне зоны и в зоне гидрорасчленения пласта. Результаты сравнения показывают, что метановыделение из забоя выработок на участке пласта, подверженного дегазации скважинами ГРП, в 2,3 раза меньше, чем в нетронутом угольном массиве.

Результаты выполненных исследований позволили также установить снижение Метановыделения о обнаженных поверхностей пласта по мере приближения выработок к скважинам ГРП, что свидетельствует об уменьшении газоносности пласта в направлении к этим скважинам. Количественная оценка степени снижения газоносности пласта в зонах гидрорасчленения скважинами N 3, 4 была выполнена сотрудниками КНИУИ. Снижение газоносности составило 6-9 м3/т.

. Основным эффектом работ по заблаговременной дегазации угольных месторождений следует считать социальный-по обеспечению безопасных условий труда шахтеров. Экономическая состоятельность работ достигается главным образом за счет повышения допустимых нагрузок на очистной забой по газовому фактору. Для условий шахты "Сокурская" экономический эффект по этому фактору при обработке запасов в зоне одной скважины составил 163000 РУб. (в ценах до 1990 г.).

Цетановыпелення с обнажённых повериостеР пласта д^ по мере проведения поцготоввтслъных выработок

1 - во 2 восточный вентиляционный бремсберг и штрек пл.л^ гор.^120 м.

2 - во 2 восточный параллельный просек в/сл пл.д^ гср,+120 м.

Рис. 5

Схема проведения подготопигелышх выработок по пласту ig на шахте В.И.Лешша

. 2 ßoem flfepHiiU ¿u/Tijó. sur. rs/ZiZ*_

2 S ас/ту л/ос&с é¿ fe /уЬ

2¿ves*?, fe/csn, л*.

rfi/7V3

I /

/Р/7л/4

Рис. 6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации содержится новое решение актуальной для угольной промышленности задачи - выявление закономерностей снижения эффективности заблаговременной дегазации шахтных полей и метанодобываемости скважин из неразгруженных низкопроницаемых угольных пластов, залегающих на больших глубинах и разработка технологии, обеспечивающей существенное снижение газовыделения в горные выработки и добычу кондиционного метана для его промышленного использования.

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Проанализированы особенности гидровоздействия на газоносный угольный пласт, показана неоднозначная роль рабочей жидкости на водной основе для целей дегазации: положительная в плане повышения общей проницаемости пласта и замещения метана в сорбционном объеме, отрицательная - из-за снижения фазовой проницаемости пласта для метана. ' Необходимым условием высокой эффективности заблаговременной дегазации является безуоловная реализация режима расчленения угольного пласта.

2. Установлены зависимости темпа нагнетания рабочей жидкости в процессе пробных закачек от давления нагнетания в начальной стадии гидродинамического воздействия на неразгруженный угольный пласт, позволившие разработать технологию циклического пневмогидродинамического воздействия, повышающую эффективность дегазации обрабатываемого пласта.

3. Выявлены пути совершенствования собственно технологии гидрорасчленения угольных пластов, апробирована усовершенствованная технология, предусматривающая вскрытие пластов сплошной кольцевой перфорацией, обработку водой, нагнетаемой с темпом до 0,15 м"/с на поле шахты "Сокурская" с полной реализацией процесса гидрорасчленения с последующим нагнетанием газообразного рабочего агента в объеме 300 тыо. м3, обеспечивающим заполнение всего фильтрующего объема, дегазируемого пласта.

4. Реализация усовершенствованной технологии заблаговременной дегазации угольного пласта путем пневмогидровоздействия

подтвердила принципиальную возможность достижения высоких де-битов метана в усложняющихся горно-геологических условиях.

5. Реализация технологии вторичного пневмовоздействия на гидрообработанный ранее пласт подтвердила в условиях поля шахты "Сокурская" возможность увеличения дебита метанодобывающих скважин в 2-4 раза.

6. Экспериментально доказано достижение существенного снижения газовыделения в горные выработки в зонах гидродинамического воздействия и последующего извлечения метана на поверхность. На поле шахты им, Ленина извлечение 1,0-1,5 млн. м8 метана на поверхность позволило уменьшить газоноснооть пласта на 6-9 м'/т и снизить газовыделение в горные выработки в 2,3 раза.

?. Пневмогидровоэдействие на угольный пласт является эффективным способом снижения газообильности подготовительных выработок и может в отсутствии пластовой дегазации обеспечивать необходимую скорость проведения горных выработок в условиях разработки мощных шгёстов Карагандинского бассейна.

8. Основным эффектом работ по заблаговременной дегазации угольных месторождений следует считать социальный по обеспечению безопасных условий труда шахтеров. Экономическая состоятельность работ достигается в основном за счет повышения допустимых нагрузок на очистной забой на газовому фактору. Для условий шахты "сокурская" экономический эффект по этому фактору при обработке запасов в зоне одной скважины составил 163000 руб. (в ценах до 1990 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Муллагалиев Ф.А. Гидрорасчленение пластов. (Тезисы доклада). Региональная научная конференция молодых ученых. Дом техники ОС- НТО. Караганда, 1985.

2. Усенбеков М.С., Муллагалиев Ф.А., Пенкин М.В. Проведение подготовительных выработок в зонах ГРП (Тезисы доклада). Региональная научная конференция молодых ученых. Дом техники ОС НТО. Караганда, 1985.

3. Муллагалиев Ф.А. Освоение скважин гидрораочленения.

ДНТИ ПО "Карагандауголь". Караганда, 1994.

4. Ахметбеков Ш.У., Муллагалиев Ф.А. Оценка эффективности заблаговременной дегазации в процессе ведения горных работ в зоне скважин гидрорасчленения. Журнал "Энергетика и топливное хозяйство Казахстана". Алма-Ата, 1994.

5. Ахметбеков Ш.У., .Муллагалиев Ф.А., Горбунов С.М. Воздействие на угольные пласты Кю, К12 через скв. N 26 ГРП. Каз-НИИуголь, Караганда, 1994. •

6. Ахметбеков Ш.У., Усенбеков M.С., Муллагалиев Ф.А. Съем метана иэ отработанной зоны путем активного освоения и эксплуатации скважин гидрорасчленения. КазНИИуголь, Караганда, 1994.

7. Сластунов C.B., Ворошилов 0.0., Горбунов С.М., Муллагалиев Ф.А. Основные направления совершенствования технологии добычи метана из угленосной толщи. "Неделя горняка" (тезисы доклада). М., изд-во МГГУ, 1994.