Гидрогеологические параметры и фильтрационная модель угольного пласта
|
Итак, для перевода участка угольного пласта в неудароопасное состояние необходимо достичь практически полного насыщения фильтрационного объема трещин и пор в угле водой, Отсюда вытекает задача предрасчета размеров эффективно увлажненных зон в угольном пласте при нагнетании в него воды, т. е. таких зон, в пределах которых влажность угля была бы равна критической или превышала ее. Решение такой задачи требует проведения в каждом конкретном случае специальных гидрогеологических исследований — исследований нестандартного плана, достаточно сложных и трудоемких. Фильтрация воды в угольном пласте осложняется рядом особенностей, главными из которых являются трещиновато-пористый характер угольного пласта, наличие газа в угле, неполное водонасыщение угля, гидрорасчленение угольного массива в окрестности нагнетательной скважины при нагнетании воды, фильтрационная анизотропия угольных пластов, сложное напряженное состояние угольного массива. Основные гидрогеологические параметры угольных пластов должны, естественно, определяться с учетом этих особенностей. К числу основных гидрогеологических параметров угольных пластов относятся: - водопроницаемость (коэффициент фильтрации) пористых блоков угля — kбл (поровая проницаемость); - коэффициент упругоемкости угля — β; - водопроницаемость угольного пласта по трещинам — kтр (трещинная водопроницаемость); активная трещинная пустотность (пористость), или дефицит насыщения трещин — μтр. Поровая проницаемость и коэффициент упругоемкости определялись в лабораторных условиях на образцах угля с естественной влажностью. Для проведения экспериментов изготавливались две серии цилиндрических образцов: в одном случае образцы выпиливались по напластованию, в другом — нормально слоистости угольных пластов. Образец диаметром 65 мм и высотой около 50 мм помещался в специальный компрессорный прибор конструкции ВНИМИ, где он подвергался предварительному обжатию и нагружению. Нагрузка увеличивалась ступенями по 10—15 кгс/см2 и доводилась до величины, примерно отвечающей естественному горному давлению на той глубине, с которой отбирался образец (около 600 м). С учетом частичной разгрузки пласта от горного давления в результате его надработки конечная нагрузка составила около 75 кгс/см2. Результаты компрессионных испытаний использовались для оценки гидроупругих свойств угля. Фильтрация воды через нагруженный образец осуществлялась при различных градиентах напора. Опыты проводились по стандартной методике, не требующей дополнительных пояснений. Характерные результаты экспериментов представлены на рис. 97. Нетрудно убедиться, что фильтрация воды через пористые блоки угля носит нелинейный характер, но может быть аппроксимирована законом Дарси с введением так называемого начального градиента напора J0. Тогда выражение для скорости фильтрации v запишется в виде  Заметим, что величина J0 почти не зависит от направления фильтрации (по напластованию или нормально слоистости), на отыскивается графически, как это показано на рис. 97, и для рассматриваемых условий составляет величину порядка 18—20. Реальные градиенты напора в области влияния нагнетательной скважины на 1—3 порядка превышают величину J0; это позволяет пренебречь нелинейностью зависимости v=f(J) и использовать во всех дальнейших наших построениях коэффициент фильтрации пористых блоков угля, определенный по формуле (IX.I). По этой формуле получено k=(1,1/1,5)*10в-3 м/сут, причем пористые блоки угля практически изотропны в фильтрационном отношении.  Перейдем к упругоемкости угольного пласта. При нагнетании воды в пласт под высоким давлением в нем формируется некоторый упругий запас воды (за счет общей декомпрессии угольного пласта и сжимаемости воды). Количественная оценка этих запасов необходима для обоснования методики расчета параметров увлажнения. Как известно, коэффициент упругоемкости водоносного горизонта  где βс — коэффициент объемной упругости породы; n — пористость водоносной породы; βж — коэффициент объемной упругости воды. Значение βc для каменных углей Ткибульского месторождения определялось экспериментально в условиях компрессии. При испытаниях как вдоль слоистости, так и нормально плоскости напластования получены очень близкие результаты: среднее значение составило около 1,0*10в-4 см2/кгс, или 1,0*10в-5 м3/тс. Кроме того, βж = 5*10в=6 м2/тс (при t=20° С) и n=0,15 (см, выше). Тогда по формуле (IX.2): β = 1,0*10в-5 + 0,15*5*10в-6 = 1,1*10в-5 м2/тс. Теперь нетрудно оценить упругие запасы воды, которые способен накопить угольный пласт при известных параметрах нагнетания. При средней мощности рабочего слоя m=1,5 м и объемном весе воды γ0=1 тс/м3 упругоемкость угольного пласта составит  Соответственно относительный упругий объем воды, который формируется в пределах насыщенной водой зоны пласта, будет  где Нср — средневзвешенный напор. Величину Hср можно определить из выражения  где Hс — напор в нагнетательной скважине; Rтр(t) — радиус увлажненной зоны пласта; rс — радиус нагнетательной скважины, В табл. 33 приведены величины Hср и Vупр, рассчитанные соответственно по формулам (IX.4) и (IX.3) для характерных значений напоров при нагнетании воды и при различных значениях Rтр(t) (для начальной и конечной стадий нагнетания).  Нетрудно убедиться, что значения Vупр по крайней мере на порядок — для защитных пластов и на два порядка — для надработанных пластов ниже естественного дефицита насыщения угольных пластов (μбл = 8/9%). Для большинства угольных пластов Донбасса также получено Vупр = 0,04/0,05% при μбл = 4/5%. Отсюда следует важный вывод: упругоемкостью угольных пластов, в сравнении с недостатком их насыщения, можно пренебречь. Этот вывод, как мы увидим дальше, позволяет существенно упростить некоторые построения, связанные с рассмотрением фильтрационной модели угольного пласта.  Трещинная проницаемость и активная трещинная пустотность угольных пластов могут определяться только In situ — по результатам специальных шахтных экспериментов; нами применялись в этих целях опытные кустовые нагнетания воды в пласт, аналогичные кустовым откачкам из водоносных горизонтов. В качестве примера на рис. 98 и 99 показана схема оборудования опытных кустов и графически изображены основные результаты эксперимента. Отметим следующие основные моменты постановки и проведения опытов: - нагнетали с помощью высоконапорных насосов марок ГБ-351, ГБ-354, НВДВ и др.; - замеры расходов воды выполняются либо с помощью водомерных счетчиков (например, типа BK), либо объемным способом на всасе насоса; - распространение воды но трещинам и изменение напоров в области фильтрации фиксируется по наблюдательным скважинам (пьезометрам), оборудованным (как и центральная скважина) манометрами с устройствами, допускающими их смену без остановки опыта; - для определения момента полного насыщения угля между скважинами опытного куста можно использовать специальный метод, основанный на измерении кажущегося электрического сопротивления (Rэф) или кажущейся силы тока (Iэф) заранее зафиксированного участка угольного пласта (например, между двумя любыми скважинами опытного куста). Время полного насыщения (tнас) такого участка определяется но моменту стабилизации в его пределах электрической проводимости угля, что отвечает минимальному значению Rэф или максимальному значению Iэф (рис. 99); - нагнетание должно быть непрерывным и достаточно продолжительным с тем, чтобы все наблюдательные скважины оказались в полностью насыщенной водой зоне. В пределах этой зоны весь расход проходит только через трещины (блоки угля уже насыщены водой), свободный газ в фильтрационном объеме трещин отсутствует, а деформации скелета угля практически стабилизируются. Иными словами, исключается влияние ряда факторов, осложняющих процесс фильтрации воды в угле, и для определения трещинной водопроницаемости угольного пласта можно, с достаточной для практический целей точностью, использовать известные формулы гидродинамики квазистационарных процессов.  При опытах следует иметь ввиду фильтрационную анизотропию угольных пластов. Для условий Ткибульского месторождения оценки анизотропии были выполнены путем сравнения удельных водопоглощений в начальный период нагнетаний по скважинам, различным образом ориентированным относительно пластов. Оказалось, что проницаемость угольных пластов вдоль напластования в 10—20 раз выше, чем в направлении, перпендикулярном слоистости. Пористые блоки угля изотропны в фильтрационном отношении, а это означает, что основными водопроводящими трещинами являются трещины напластования. Поэтому определение трещинной водопроницаемости угольных пластов методически наиболее просто и точно можно выполнить по результатам опытных нагнетаний воды в скважины, нормальные напластованию. В этом случае пласт условно рассматривается как линейно-изотропная среда, а движение воды в нем считается плоским осесимметричным. Расчеты коэффициента фильтрации (kтр) при такой схеме расположения скважин производятся либо по формуле Дюпюи, либо по известной логарифмической аппроксимации формулы Тзйеа. Последняя используется также для определения kтр по результатам наблюдений за снижением напоров в скважинах после окончания опыта. Кроме того, как будет показано ниже, в начальной стадии эксперимента иногда допустимо использование зависимостей Н.Н. Веригина, применяемых для приближенного определения водопроницаемости «сухих» пород но результатам опытных нагнетаний в них воды. В качестве примера в табл. 34 приведены экспериментальные данные и выполнены расчеты kтр для одного из надработанных угольных пластов Ткнбульского месторождения. В таблице приняты следующие обозначения: Qc — расход воды при нагнетании; H1 и H2 — напоры в наблюдательной скважине на моменты времени t1 и t2; Hr — напор в нагнетательной скважине в момент tr появления воды в расчетной наблюдательной скважине; rc — радиус скважин; r — расстояние от наблюдательных скважин до нагнетательной; m — мощность пласта (длина фильтра); kтр — коэффициент фильтрации пласта по трещинам. В результате проведения кустовых нагнетаний во все рабочие пласты Ткнбульского месторождения для них после аналогичной обработки исходных данных были получены следующие средние значения kтр: - защитные пласты при глубине разработки от 500 до 900 м — kтр = 0,05 м/сут; - надработанные пласты при той же глубине разработки — kтр = 0,11 м/сут. Перейдем теперь к оценке активной трещинной пустотности угольных пластов μтр. Зная напоры по двум наблюдательным скважинам на один и тот же момент времени, можно найти расчетный радиус влияния нагнетания на этот момент времени из выражения  где Hi и Hi+1 — напоры в i-й и (i+1)-й наблюдательных скважинах в момент времени t; ri и ri+1 — расстояния от наблюдательных скважин до центральной. Результаты расчетов величин Rтр(t) но формуле (IX.5) для условий одного из опытов, выполненных на пласте III (см. табл. 33), приведены в табл. 35. Расстояния до наблюдательных скважин от центральной составляют: r2=0,9 м; r3=3,2 м; r4=6,3 м. С другой стороны, Н.Н. Веригиным показано, что при фильтрации в чисто трещиноватых породах для определения справедливо равенство  Следовательно, до тех пор, пока зависимость Rтp(t)=f(√t) прямолинейна, основной объем воды при нагнетании движется только по трещинам, без существенных потерь на насыщение пористых блоков. На основе данных, приведенных в табл. 35, построен график зависимости Rтр(t)=f(√t) (рис. 100), из которого следует, что в течение первых 20—25 мин влиянием процесса насыщения пористых блоков угля в рассматриваемых условиях можно пренебречь. В дальнейшем интенсивность этого процесса возрастает, вследствие чего резко замедляется скорость распространения воды по трещинам: график Rтр(t)=f(√7) выполаживается и отклоняется от прямой к оси √t.    Значение μтр отыскивается для любого момента времени f<20 мин из выражения (IX.6). Например, при t=5 мин имеем Rтр(t)=4 м. Кроме того, Qc = 29 м3/сут и m=2 м. Тогда  Значение μтр=0,001 является средним для всех пластов месторождения. Заметим, что формула Н.Н. Веригина для определения величины kтр, применительно к фильтрации воды в угольном массиве [формула (2) в табл. 34], также справедлива до тех пор, пока график Rтр(t)=f(√) прямолинеен. Наиболее надежно активная трещинная пустотность определяется по результатам повторных нагнетаний воды на одном и том же участке пласта (кусте скважин). Разрыв во времени с предыдущим циклом нагнетания должен составлять не менее 2—3 сут. В этом случае, ввиду полного или почти полного насыщения угля водой на опытном участке, обычно удается легко получить зависимость Rтp(t)=f(√t)c начальным прямолинейным участком. Именно такой случай и рассмотрев на примере пласта III. Теперь сопоставим между собой экспериментально полученные гидрогеологические параметры угольных пластов:  Эти данные со всей очевидностью подтверждают справедливость выдвинутой ранее рабочей гипотезы о трещиновато-пористом характере угольного пласта как фильтрующей среды. В окончательном виде это положение можно сформулировать следующим образом: угольный пласт в фильтрационном отношении следует рассматривать как частный (предельный) случай среды с двойной пористостью, т. е. такой среды, проницаемость которой определяется проницаемостью трещин (kтр≥kбл), а ее емкостные свойства — недостатком насыщения пористых блоков угля (μбл≥μтр), которые и являются основным аккумулятором закачиваемой в пласт воды. |
