Войти  |  Регистрация
Авторизация

Исследование фильтрации воды в угольном пласте



Двойной характер пористости и неполное насыщение угля водой— основные особенности угольных пластов как фильтрующей среды, в наибольшей степени затрудняющие получение строгих аналитических решений даже для простейших схем фильтрации. По существу, до сих пор фильтрационные задачи в такой постановке не рассматривались; между тем без исследования этих задач невозможно, разумеется, говорить о путях определения оптимальных параметров увлажнения угольных пластов.
Особенности процесса насыщения угля водой с учетом его двойной пористости и неполного водонасыщения были рассмотрены нами на примере частной задачи о плоской осесимметричной неустановившейся фильтрации воды в угольном пласте при нагнетании ее в скважину с постоянным расходом Qc.
Экспериментально доказанное наличие анизотропии трещинной водопроницаемости пластов угля позволяет пренебречь фильтрацией по трещинам, нормальным напластованию, и полагать, что насыщение блоков реализуется только со стороны трещин напластования. Поэтому реальный угольный пласт можно заменить моделью некоторой фиктивной равномерно-слоистой среды, состоящей из линейновытянутых пористых блоков, разделенных трещинами напластования. Упругоемкостью угольных пластов также можно пренебречь по сравнению с. дефицитом насыщения пористых блоков.
В такой слоистой толще можно считать выполненными предпосылки Мятиева—Гиринского. Тогда нетрудно показать, что движение воды описывается системой двух дифференциальных уравнений: первое вытекает из уравнения неразрывности для характерного микроэлемента равномерно-слоистой среды, а второе отражает условие материального баланса при насыщении блока водой:
Исследование фильтрации воды в угольном пласте

где Tir — проводимость пласта, отнесенная к одному микроэлементу— трещине напластования (заметим, что задача решалась в симметричной постановке, т. е. рассматривалось движение воды по одной полутрещине с насыщением половины мощности (mбл) одного линейного блока); H(r,t) — напор в трещине; kбл — коэффициент фильтрации блоков; mz(r,t) — мощность насыщенной зоны блока; r — текущая координата; t — время; Qi — постоянный расход при нагнетании, отнесенный к системе «полутрещина—полублок»; Rтр(t) — радиус зоны насыщения угольного пласта по трещинам; Rбл(t) — радиус зоны полного насыщения пористых блоков угля; μтр — активная трещинная пустотность угольного пласта.
Оба дифференциальных уравнения, входящие в систему (IX.7), и граничные условия к ним нелинейны.
Задача решалась с помощью аналогового электромоделирования. За основу при построении фильтрационной модели угольного пласта были приняты условия конкретного эксперимента, результаты которого представлены графически на рис. 99. Пласт 7/4 предварительно надрабатывался пластом II. В результате надработки пласт 7/4 на опытном участке был практически полностью дегазирован, так что давлением газа оказалось возможным пренебречь — см. условия (IХ.8) и (IX.10).
Исследование фильтрации воды в угольном пласте

Принципиальная схема электрической сеточной модели (RR—модели) показана на рис. 101. Область фильтрации разбивалась на ряд расчетных участков. Границы участков выбирались таким образом, чтобы узловые точки модели соответствовали положению наблюдательных скважин в пласте при производстве нагнетания. При моделировании выдерживалось балансовое соотношение расходов воды, идущих на насыщение трещинного и порового пространства угольного пласта на обеих движущихся границах области фильтрации — и по трещинам, и по пористым блокам угля. Для этого замерялась сила тока вблизи границ обводненности по трещинам и блокам, по измеренной силе тока вычислялся фильтрационный расход в трещинах и блоках на последующий шаг времени Δt и по объему насыщенного пространства (отдельно в трещинах и блоках) определялось новое положение границ обводненности Rтр(t) и Условие (IХ.1З) выполнялось путем последовательного отключения элементов Rz модели по достижении полного насыщения водой порового пространства в том или ином расчетном блоке.
Исследование фильтрации воды в угольном пласте

Основные результаты аналогового электромоделирования представлены на рис. 102, 103 и 104. В начальный период нагнетания (в данном конкретном случае — в течение мин) весь объем закачиваемой в пласт воды движется только по трещинам (рис. 102). В дальнейшем начинается процесс насыщения пористых блоков угля, и наряду с границей обводненности по трещинам Rтр(t) появляется вторая движущаяся граница — контур полного насыщения блоков Rбл(t). Между этими границами лежит переходная зона—зона неполного насыщения угольного пласта водой.
Сопоставление полученных при моделировании величин Rтp(t) и Rбл(t) с замеренными в натуре данными (см. рис. 99) позволяет говорить об их вполне удовлетворительном совпадении (рис. 102). То же самое относится и к напорам как в центральной скважине (рис. 103), так и во всей насыщенной водой зоне пласта (рис. 104). Таким образом, результаты моделирования (как и данные экспериментов по определению гидрогеологических параметров) полностью подтверждают представление об угольном пласте как о среде с двойной пористостью.
Из рис. 102 следует также, что параметры Rтp(t) и Rбл(t) при решении прямой задачи практически не зависят от напоров. Гидрорасчленение (гидроразрыв) пласта (рис. 103) при правильно выбранном режиме нагнетания обычно происходит в ограниченной зоне вокруг нагнетательной скважины. Эта зона не включает в себя движущихся границ — Rтp(t) и Rбл(t) напоры в последней наблюдательной скважине (№ 4 — рис. 98) продолжали расти вплоть до окончания опыта. Именно поэтому гидрорасчленение пласта практически не сказывается на характере дальнейшего насыщения трещин и пор, т. е. при определении Rтp(t) и Rбл(t) увеличением проводимости пласта в полностью насыщенной зоне (при сохранении Qc = const) можно пренебречь. Гидрорасчленение пласта приводит лишь к некоторому увеличению эффективного радиуса скважины и снижению напоров в окрестности нагнетательной скважины (скв. № 2, 3 — рис. 99 и 104) при неизменном расходе закачиваемой в пласт воды. Это обстоятельство необходимо учитывать при решении на моделях только обратных задач.
Следовательно, напоры при нагнетании сами по себе не представляют никакого интереса с чисто утилитарной точки зрения, за исключением напоров (давления воды) в центральной скважине; по своей величине они не должны превышать некоторого критического значения, при котором происходит полный гидроразрыв пласта (с интенсивным выходом воды на забой выработки). Критические значения давлений определяются экспериментально в каждом конкретном случае; на Ткибульском месторождении они составляют 60—90 атм для надработанных (частично разгруженных от горного давления) пластов и 200—250 атм для ненадработанных пластов.
Итак, с помощью аналогового электромоделирования на RR-модели можно получить значения Rтp(t) и Rбл(t) на любой момент времени t с начала нагнетания воды в пласт. Тем самым решается важнейшая часть поставленной выше задачи — задача определения размеров эффективно увлажненных зон — Rбл(t), в пределах которых гарантируется ударобезопасное состояние угольного пласта.
Попытаемся представить полученные результаты в более общем виде. Из рис. 102 нетрудно заключить, что по истечении некоторого промежутка времени t0 продвижение фронтов увлажнения но трещинам и по блокам приобретает квазистационарный характер; обе границы продвигаются но пласту с одинаковой скоростью параллельно одна другой. Очевидно, что при t>t0 влияние процесса насыщения пористых блоков становится определяющим. Поэтому на практике можно пренебречь объемом воды, идущим на насыщение трещин (так как μтр≤μбл), и полагать, что вся вода расходуется на насыщение порового пространства угольного пласта. В таком случае, используя принцип поршневого вытеснения газа (воздуха) из фильтрационного объема пор водой, на базе простого балансового соотношения получим:
Исследование фильтрации воды в угольном пласте

где Qc — постоянный расход воды при нагнетании; m — мощность пласта.
Результаты расчетов, выполненных по этим формулам, как видно из рис. 102, также хорошо совпадают с результатами моделирования и эксперимента (при Qc = const).
Необходимость в определении величины Rтр(t) обычно возникает в тех случаях, когда обрабатываемый нагнетанием участок пласта сильно изрезан выработками и существует опасность быстрого выхода воды по трещинам в область дренирования (выработанное пространство, зона крупного тектонического нарушения, другие эксплуатационные выработки и т. п.). Кроме того, некоторые угольные пласты характеризуются значительными расстояниями между крупными фильтрующими трещинами (велико mбл) и низкой проницаемостью блоков (мало kбд): при этом, переходная зона R(t0) (см, рис. 102) может достигнуть значительных размеров (до 6—8 м), а стадия полного насыщения пористых блоков нередко совсем не наступает (Кизеловский бассейн, некоторые шахтопласты Воркутского месторождения и др.). В таких ситуациях параметры нагнетания заранее соразмеряются с величиной Rтр(t), для чего либо экспериментально, либо с помощью моделирования — при известных гидрогеологических параметрах угольного пласта — находят значения t0 и R(t0). Например, для условий Ткибульского месторождения при существующей глубине разработки (600—1100 м) принимается R(t0)=2 м и t0=5 мин, причем делается вполне оправданное допущение о том, что отношение kтр/kбл в пределах указанных глубин остается постоянным.
Именно из-за низкой проницаемости (пористости) многих угольных пластов, когда слишком велико значение R(t0), не удается добиться полного водонасыщения пористых блоков (Rбл(t) равно нулю или очень мало), что ограничивает область применения предварительного увлажнения угольных пластов. Обширные экспериментальные исследования, выполненные в этом направлении, показали, что увлажнение (как мера предупреждения горных ударов) наиболее эффективно в каменноугольных пластах с пористостью угля от 3 до 24%. Значение пористости свыше 24% характерно, как правило, для полностью водонасыщенных бурых углей. Нагнетание воды в такие буроугольные пласты (так же как и в пласты каменного угля с пористостью менее 3%) обычно быстро заканчивается полным гидроразрывом пласта.
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent