Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ и обобщение результатов исследований по защите дегазационных скважин от поступления воздуха из горных выработок 11
1.1 Дегазация угольных пластов скважинами 12
1.2 Современное состояние эксплуатации дегазационных скважин угольных пластов 16
1.3 Способы и средства защиты дегазационных скважин от поступления воздуха из горных выработок 18
1.4 Способы и средства направленного гидроразрыва угольных пластов 29
2 Разработка противофильтрационных экранов и способа их создания в углепородном массиве 38
2.1 Противофильтрационные экраны с жидким наполнителем 38
2.2 Способ направленного гидроразрыва для создания противофильтрационных экранов 49
2.3 Лабораторный стенд и методика исследований направленного гидроразрыва на физических моделях 57
2.4 Результаты исследований гидроразрыва в лабораторных и натурных условиях 62
3 Разработка и исследование рабочих жидкостей для противофильтрационных экранов 70
3.1 Рабочие жидкости для противофильтрационных экранов 70
3.2 Лабораторный стенд и методика исследований влияния рабочих жидкостей на газопроницаемость пористой среды 88
3.3 Результаты исследований влияния рабочих жидкостей на газопроницаемость пористой среды 95
4. Методика и технические средства проектирования, создания и эксплуатации противофильтрационных экранов в породном массиве 105
4.1 Технические средства экранирования дегазационных скважин 105
4.2 Методика экранирования дегазационных скважин 112
Заключение 123
Список литературы
- Способы и средства защиты дегазационных скважин от поступления воздуха из горных выработок
- Способ направленного гидроразрыва для создания противофильтрационных экранов
- Лабораторный стенд и методика исследований влияния рабочих жидкостей на газопроницаемость пористой среды
- Методика экранирования дегазационных скважин
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из перспективных направлений развития угледобывающей отрасли является добыча метана как самостоятельного сырьевого продукта для химических производств и получения моторного топлива. Существующие технологии извлечения метана из его смеси с воздухом малорентабельны. Получение метана необходимой степени чистоты возможно на стадиях заблаговременной и предварительной дегазации угольных пластов. Снижение газонасыщенности угля до начала очистных работ важно также для повышения безопасности и эффективности подземной разработки угольных месторождений. Значение предварительной дегазации возрастает с увеличением глубины залегания угольных пластов, газоносности продуктивных пластов и интенсивности разработки.
Одной из проблем предварительной дегазации угольных пластов является поступление воздуха в зону отбора метана из горной выработки через породный массив. Исследованиями в области дегазации угольных пластов, герметизации дегазационных скважин, направленного гидроразрыва породного массива для различных задач подземной разработки месторождений твердых полезных ископаемых занимались такие ученые как Забурдяев В.С., Курленя М.В., Клишин В.И., Леконцев Ю.М,, Полевщиков Г.Я., Пучков Л.А., Ремезов А.В., Рубан А.Д., Сердюков С.В. Несмотря на большой объем выполненных работ и достигнутые успехи в научных исследованиях, современные способы защиты дегазационных скважин от поступления воздуха не обеспечивают достаточное качество их герметизации. Содержание метана в продукции каждой второй скважины составляет менее 60 %. Из-за падения депрессии при вакуумировании дебиты каждой второй скважины ниже проектных значений в 2-3 раза. Повышение эффективности защиты дегазационных скважин от подсосов воздуха из подземных горных выработок является актуальной проблемой, направленной на увеличение продуктивности дегазационных скважин, снижение опасности воспламенения извлекаемой газовой смеси, повышение рентабельности использования угольного метана в народном хозяйстве. Одним из перспективных методов изоляции зоны отбора метана от горной выработки является создание в породном массиве противофильтрационных экранов с использованием направленного гидроразрыва. Развитие этого метода, создание высокотехнологичных способов и средств его реализации на шахтах является актуальной задачей, решение которой направлено на обеспечение эффективности построения противофильтрационных экранов в породном массиве.
Связь темы диссертации с научно-техническими программами.
Диссертационная работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме «Проведение исследований и разработка прототипа экологически безопасной технологии добычи метана из угольных пластов и подстилающих горных пород в шахтных условиях» (государственный контракт № 16.515.11.5035), Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-3
технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» по теме «Разработка комплекса методических и скважинных технических средств гидроразрыва углепородного массива химически активными составами, вибрационного воздействия, прогнозной оценки газодинамической активности и измерений геомеханического состояния угольных пластов для повышения безопасности и производительности подземной добычи угля» (проект № 14.604.21.0096). Исследования выполнялись при поддержке стипендии президента РФ (СП-540.2016.1), Российского фонда фундаментальных исследований (грант №14-05-31175-мол-а).
Цель работы: обеспечение противофильтрационной защиты дегазационных скважин от подсосов воздуха из горных выработок через породный массив.
Идея работы заключается в применении дополнительного касательного нагружения стенок необсаженной скважины в интервале разрыва для направления развития трещин поперек скважины и в использовании таких трещин, заполненных вязкой жидкостью под давлением выше давления воздуха, для образования в породном массиве между горной выработкой и зоной отбора метана противофильтрационного экрана.
Основные задачи исследования:
1) разработать конструкцию противофильтрационных экранов и схему их
применения для защиты дегазационных скважин от подсосов воздуха из горных
выработок через породный массив;
2) исследовать направленный гидроразрыв с касательным нагружением стенок
скважины и создать на его основе способ формирования полости
противофильтрационного экрана;
-
создать рабочие жидкости противофильтрационных экранов и изучить их влияние на газопроницаемость пористой среды;
-
разработать методику и технические средства для создания и эксплуатации противофильтрационных экранов в породном массиве.
Методы исследования: анализ и обобщение сведений, содержащихся в
научно-информационных источниках, патентах, нормативно-технических
документах по герметизации дегазационных скважин угольных пластов, изоляционным составам, способам направленного гидроразрыва; физическое моделирование на моделях из пористых материалов и угля, натурный эксперимент в шахтных условиях, статистическая и аналитическая обработка полученных результатов.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Защита дегазационной скважины от поступления воздуха через горные породы основывается на перекрытии путей его фильтрации одной или несколькими трещинами направленного гидроразрыва, заполненными жидкостью под давлением выше, чем у воздуха.
-
Закрепление герметизатора на забое необсаженной скважины анкером с площадью контакта меньшее ее поперечного сечения снижает давление гидроразрыва и формирует трещину поперек оси скважины.
3. Последовательная обработка поверхности трещины жидкостью
гидроразрыва, содержащей бикарбонат натрия, изоляционным полимерным составом, содержащим диизоцианат, и индустриальным маслом с низким индексом вязкости, содержащим диэтиламин, с удельным расходом 4–6 дм3/м2 снижает газопроницаемость пористой среды через трещину в 18-20 раз. Научная новизна:
1) разработаны конструкции и схемы применения противофильтрационных
экранов с жидким наполнителем под давлением и способ герметизации
дегазационных скважин на их основе;
-
установлено влияние касательного нагружения стенок скважины на развитие трещины гидроразрыва поперек скважины и на основе полученных результатов разработан способ направленного гидроразрыва и анкерная схема его реализации для формирования полости противофильтрационного экрана;
-
разработаны жидкость гидроразрыва, содержащая бикарбонат натрия, изоляционный полимерный состав, вязкий наполнитель, схема их последовательной закачки в трещину гидроразрыва и выявлены закономерности их влияния на газопроницаемость пористой среды при низких удельных расходах на единицу площади поверхности трещины.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, обеспечивается корректностью допущений, принятых при решении задач, достаточным объемом экспериментальных исследований, статистическими методами обработки данных, использованием для проведения исследований современной аппаратуры с высокими метрологическими характеристиками и апробированных методов определения коэффициента абсолютной газопроницаемости пористой среды, вязкости и состава жидкостей.
Научное значение работы состоит в экспериментальном и теоретическом обосновании способов защиты дегазационных скважин угольных пластов от подсосов воздуха из горных выработок через породный массив.
Практическая ценность исследования состоит в разработке конструкции
противофильтрационных экранов, рецептов и лабораторных регламентов
изготовления рабочих жидкостей, схемы выполнения и технических средств
безщелевого способа направленного гидроразрыва породного массива, методики
проектирования, создания и эксплуатации в породном массиве
противофильтрационных экранов для защиты дегазационных скважин от подсосов воздуха из горных выработок.
Реализация работы. Разработанные методические и технические решения
включены в «Инструкцию по дегазации углепородного массива с применением
направленного подземного гидроразрыва и барьерного экранирования
дегазационных скважин» и в «Технологическую инструкцию на изготовление в
лабораторных условиях экспериментальных партий (образцов) химически активных
составов гидроразрыва ДС27.00.00.000ТИ». Данные документы приняты
Институтом горного дела СО РАН и прошли всестороннюю экспертизу
Минобрнауки РФ в рамках приемки результатов выполнения государственных контрактов №16.515.11.5035, №14.604.21.0096.
Личный вклад автора. Выполнены анализ и обобщение сведений, содержащихся в научно-информационных источниках, патентах, нормативно-технических документах, постановка задач и разработка методик исследований. Принято участие в создании барьерного способа экранирования дегазационных скважин (предложена двухслойная конструкция экрана), разработаны конструкции и схемы применения гидрозатворного и зонного противофильтрационных экранов. Принято участие в разработке безщелевого способа направленного гидроразрыва, анкерной схемы и технических средств для его реализации (предложены схема касательного нагружения интервала разрыва, конструкция анкера с кольцевой проточкой и инденторным выступом). Выполнена сравнительная оценка направленного гидроразрыва по схемам с анкером и щелевым инициатором на основе моделей дисковых трещин. Принято участие в исследовании направленного гидроразрыва и анализе полученных данных. Созданы рабочие жидкости для противофильтрационных экранов и разработаны лабораторные регламенты их получения. Исследовано влияние разработанных рабочих жидкостей на газопроницаемость пористой среды, получены экспериментальные данные, проведены их обработка и анализ. Разработана методика проектирования, создания и эксплуатации противофильтрационных экранов в шахтных условиях.
Апробация результатов. Основные положения и результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX, X, XII международных научных конференциях «Недропользование. Горное дело. Новые направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых» (Новосибирск, 2013, 2014, 2016); 13-ой международной конференции «SGEM GeoConference on Science and Technologies in Geology, Exploration and Mining» (Албена, Болгария, 2013); IV и V международных научно-практических конференциях «Перспективы инновационного развития угольных регионов России» (Прокопьевск 2014, 2016), XX международном научном симпозиуме им. акад. М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр (Томск, 2016).
Публикации. Основные результаты научных исследований по теме
диссертации представлены в 2 патентах РФ и 13 опубликованных работах, из них 5 в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы из 127 наименований, изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 18 таблиц.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н. Сердюкову С.В., развитие идей которого, постоянное внимание и помощь способствовали успешному выполнению работы; академику Курлене М.В. за плодотворное обсуждение результатов и ценные замечания по работе; сотрудникам лаборатории физических методов воздействия на массив горных пород и ЦКП ИГД СО РАН за помощь в проведении исследований.
Способы и средства защиты дегазационных скважин от поступления воздуха из горных выработок
К эксплуатационным факторам относятся длина, диаметр дегазационных скважин, плотность бурения, ориентация относительно естественной трещиноватости и др. Основными свойствами угольного пласта, влияющими на предварительную дегазацию, являются естественная или приобретенная проницаемость угольных пластов и вмещающих пород, содержание, состав газа, степень насыщения, свойства по миграции газа и др. [17-19]. Для оценки фактической эффективности предварительной дегазации рассчитывается коэффициент дегазации (КД). Он определяется как отношение каптированного метана на выемочном участке к общему количеству метана из разрабатываемого пласта без применения дегазации. Согласно [20, 21] эффективность дегазации должна быть не менее 50%, для обеспечения нагрузок на очистной забой 20-30тыс. т/сут. и рентабельной угледобычи. В настоящее время это достигается применением комплексной дегазации, включающей использование предварительной дегазации. В некоторых случаях до 30-50% метана, содержащегося в угольном пласте, может быть удалено пластовыми скважинами на стадии предварительной дегазации [19].
При проведении предварительной дегазации скважины бурятся с земной поверхности или из подземных горных выработок. В случае неглубоких шахт можно использовать поверхностные методы предварительной дегазации угольного пласта. Методы направленного бурения с поверхности эффективны при проведении дегазации угольных пластов с проницаемостью от 0,5 мД до 10 мД. Широкий опыт применения предварительной дегазации в США и Австралии свидетельствует о большей эффективности поверхностных методов по сравнению с бурением пласта из подземных выработок. Прежде всего, это связано с тем, что бурение дегазационных скважин с поверхности может быть выполнено задолго до начала горных работ, связанных с угледобычей [22,23]. Использование бурения скважин с поверхности обеспечивает независимость проведения дегазации от горных работ. Это является основным преимуществом поверхностных методов предварительной дегазации. В то же время существует много ограничений для применения таких методов. Возможность использования поверхностных методов предварительной дегазации зависит от проектной глубины бурения скважин, топографических факторов, проницаемости и сплошности угля и др. [21].
Предварительная дегазация угольных пластов может проводиться скважинами, пробуренными из подземных горных выработок до начала проходческих работ. Дегазационные скважины бурятся в плоскости пласта из пластовых подготовительных выработок по восстанию, падению или простиранию, а также под определенным углом к линии простирания [9, 24, 25]. Расположение дегазационных скважин, пробуренных из подземных горных выработок, параллельно-одиночное и веерно-кустовое. Параллельно-одиночное расположение скважин обеспечивает равномерное расположение скважин в дегазируемом массиве, может использоваться для нагнетания воды в пласт с целью предотвращения внезапных выбросов угля и газа, снижения пылеобразования и предупреждения эндогенных пожаров. При этом недостатком является увеличение числа буровых ниш [25]. Преимуществами веерного расположения скважин являются удешевление за счет меньшего числа буровых ниш и простота водоотделения. Веерно-кустовое расположение является наиболее эффективным для дегазационных скважин, пробуренных под определенным углом к линии простирания. Однако веерное расположение не обеспечивает равномерное расположение сетки скважин в массиве, увеличивает подсос воздуха через разбуренный большим числом скважин массив угля около устьев скважин и осложняет пересечения скважин лавой. В настоящее время более эффективным является параллельно-одиночное расположение скважин диаметром 80-150мм. Эффективность веерно-кустового расположения скважин обычно ниже на 10-40%. Интервал между скважинами изменяется от 8 до 100м. Однако, в некоторых случаях, например, для достижения быстрого эффекта дегазации на ограниченных площадях целесообразно использовать веерно-кустовую схему расположения скважин [19, 26, 27]. Комбинации разных схем используются на высокогазоносных площадях и при ограниченном времени для проведения предварительной дегазации[19]. Предварительная дегазация восстающими скважинами получила наибольшее распространение. Это связано с тем, что скорость их бурения в 1,5 раза выше по сравнению с нисходящими скважинами. При этом газ выделяется сразу после окончания бурения, а в случае нисходящих скважин требуется время на осушение [24]. Наиболее распространенная глубина дегазационных скважин не превышает 300м. Для бурения таких скважин из подземных выработок (на глубину от 100 до 200 метров) применяется вращательное бурение. Современные достижения в технологии бурения скважин значительно увеличили потенциал пластовой дегазации угольных пластов. В настоящее время длина скважин в пределах пласта может превышать 1600м. Такие скважины (глубиной больше 1000м) возводятся из подземных горных выработок методами направленного бурения [18, 21, 28, 29].
Проницаемость угольного пласта является главным параметром, влияющим на продолжительность дегазации до достижения удовлетворительной газоносности. Чем меньше проницаемость угля, тем больше времени необходимо для проведения дегазационных работ с целью уменьшения газоносности до требуемого значения [21]. Согласно [9] минимальный срок каптажа угольного газа составляет 6 месяцев для восходящих (и горизонтальных) скважин и 12 месяцев – для нисходящих. При таком времени работы полные газовыделения из дегазационной скважины без учета и с учетом изменения метановыделения в зонах опорного давления и разгрузки, практически не отличаются друг от друга[30]. Также из-за низкой газопроницаемости углей и малого радиуса влияния дегазационных скважин на стадии предварительной дегазации часто применяется гидроразрыв угольного пласта и гидроструйная резка для увеличения проницаемости пласта и сокращения сроков предварительной дегазации.
Способ направленного гидроразрыва для создания противофильтрационных экранов
Для расчетов искомых величин по формулам (2.1)-(2.3) необходимы данные лабораторных исследований Е и v керна, отобранного при бурении скважин. Что касается коэффициента 1С, то его значение может быть оценено исходя из типа и механического состояния горных пород угольного месторождения в соответствии с таблицей Для поддержания экрана заданного радиуса R0 в открытом состоянии рабочее давление жидкости в экране должно быть не ниже давления распространения трещины Pf , значение которого при выполнении условия (2.1) равно pf=2 K 1С V + T (2.4) где G, Н/м2 — сжатие плоскости экрана вмещающими породами, определяемое методом гидроразрыва по давлению запирания трещины. Если условие (2.1) не выполняется, то давление поддержания экрана в раскрытом состоянии можно оценить из следующего выражения: Выражения (2.1) - (2,5) образуют схему расчета давлений и объемов закачки рабочих составов различной вязкости при проектировании барьерного экранирования дегазационных скважин.
Разработаны и запатентованы несколько вариантов заполнения барьерного экрана жидким наполнителем [85]: 1. Вязкость жидкого состава перед заполнением трещины гидроразрыва уменьшают за счет нагрева выше температуры вмещающих горных пород. Это способствует более полному заполнению трещины гидроразрыва. 2. Трещину гидроразрыва заполняют составом, состоящим из двух или более жидких компонент низкой вязкости, которые при смешивании в полости экрана образуют жидкость повышенной вязкости, например вязкопластическую 225(l-v2) 2 жидкость с пределом текучести выше значения равного /с. Низкая вязкость исходных компонент способствует более полному заполнению трещины гидроразрыва, а высокая вязкость получаемого состава - снижению утечек во вмещающие горные породы. 3. Трещину гидроразрыва последовательно заполняют несколькими различными жидкостями, не смешивающимися друг с другом и обладающими различной проникающей способностью в горные породы, причем жидкости закачивают в порядке увеличения их вязкости. Тем самым вокруг экрана создают не менее одного слоя горных пород, пропитанных закачиваемыми жидкостями. Создание дополнительных слоев вокруг экрана из пропитанных жидкостями горных пород направлено на снижение газопроницаемости породного массива.
Для снижения утечек рабочей жидкости в проницаемых породах нами разработана двухслойная схема противо фильтрационного экрана, показанная на рисунке 2.2. Двухслойный экран создают в несколько этапов. На первом этапе проводят гидроразрыв и подают в образовавшуюся трещину пропитывающий изоляционный двухкомпонентный полимерный состав (глава 3). Этот состав проникает в горную породу и создает в ней изоляционный слой, препятствующий оттоку жидкости из полости экрана. Рисунок 2.2 - Схема двухслойного барьерного экрана: 1 – внешний изолирующий слой; 2 – полость экрана, заполненная рабочей жидкостью под давлением; 3 – запирающая «пробка» на устье экрана; 4 – незаполненная часть трещины; 5 – дегазационная скважина; 6 – углепородный массив
Не дожидаясь отверждения полимерного состава, в трещину закачивают жидкий наполнитель, вязкость которого многократно возрастает после остывания до температуры пород (глава 3). Этот состав образует внутренний слой 2 барьерного экрана (Рисунок 2.2). Давление наполнителя поддерживают выше давления сжатия экрана горными породами, но ниже давления распространения трещины гидроразрыва вязкой жидкостью. На завершающем этапе в интервал гидроразрыва подают твердеющий состав, например битумно-полимерную мастику холодного применения или акрилатный гель с повышенной устойчивостью к напорной фильтрации, который герметизирует («запечатывает») устье экрана и препятствует оттоку из него вязкого наполнителя в скважину. Пример временной диаграммы выполнения операций по барьерному экранированию дегазационной скважины приведен на рисунке 2.3. Рисунок 2.3- Временная диаграмма барьерного экранирования дегазационной скважины двухслойным экраном. Условные обозначения: сплошная заливка — закачка рабочих составов; штриховая заливка — выдержка закаченных составов под давлением
Разработанная схема постановки двухслойного барьерного экрана с использованием двухкомпонентных составов с низкой начальной вязкостью существенно упрощает подачу рабочих жидкостей через длинные гидравлические линии и очистку оборудования от остатков составов. Процесс постановки барьерного экрана при бурении новой дегазационной скважины состоит из следующих основных операций: а) бурение пилотной скважины диаметром 76 мм на глубину на 1 – 2 м меньше проектной глубины обсаженного участка дегазационной скважины; б) нарезание в стенке скважины щелевого концентратора напряжений, обеспечивающего развитие трещины гидроразрыва поперек оси скважины (операция не требуется, если используется способ гидроразрыва, рассмотренный в разделе 2.2);
Лабораторный стенд и методика исследований влияния рабочих жидкостей на газопроницаемость пористой среды
Представленные на рисунке 2.10 графики показывают, что давление разрыва по схеме с анкером (якорем) ниже, чем по схеме со щелевым инициатором для всех рассматриваемых значений R. Характер зависимости сохраняется и в прочных породах, для которых KIC1.5 МПа м1/2.
По мере роста трещины давление, необходимое для ее дальнейшего распространения меняется. Для трещин малых размеров, низких темпов нагнетания рабочей жидкости и проницаемости пород падением давления рабочей жидкости вдоль трещины можно пренебречь. В этом случае давление распространения трещины Pf также может оценить по формулам (2.7) – (2.8). При l0 R следует учитывать влияние свободной поверхности скважины и малую площадь кольцевой трещины. В этом случае вместо дисковой трещины можно использовать модель краевой трещины нагруженной либо внутренним давлением P (вместо схемы рисунка 2.9в), либо сосредоточенной силой SP в точке выхода трещины на свободную поверхность (вместо схемы рисунка 2.9а). Соответствующие коэффициенты интенсивности напряжений задаются следующими формулами [101] Kj я1.1215-(Р-а3)- я-10, Расчетные графики Pf от радиуса трещины RC для разных схем поперечного гидроразрыва приведены на рисунке 2.11. Из представленных графиков следует, что преимущество схемы с анкером (график 2 на рисунке 2.11) по давлению разрыва сохраняется и в процессе роста трещины. При RC 150мм различия в значениях Pf при разрывах по схемам со щелевым инициатором (график 1 на Рисунке 2.11) и анкером (график 2 на рисунке 2.11) не существенны. Рисунок 2.11 - Давление распространения коротких поперечных трещин в зависимости от их радиуса при ю=0.3 МПа мш, а31 =1.0 МПа, Д=22мм: 1 -разрыв по схеме со щелевым инициатором Ri=2.5R; 2- разрыв по схеме с анкером; 3 - разрыв по схеме с якорем для модели краевой трещины при /0 0.2R
Из представленных на рисунке 2.1 графиков 2 и 3 следует, что для трещин глубиной менее 0.2R эти графики практически совпадают, т.е. в рассматриваемой задаче модель дисковой трещины, не учитывающая влияние свободной поверхности скважины, и модель краевой трещины дают близкие значения давления разрыва. Таким образом, для практических расчетов поперечного гидроразрыва можно использовать формулы (2.7) - (2.8) при любой глубине трещин.
Общий вид лабораторного стенда показан на рисунке 2.12, структурная схема – на рисунке 2.13. Оборудование лабораторного стенда для исследования направленного гидроразрыва: 1 –ручной двухступенчатый масляный насос высокого давления; 2 – пресс-расходомер; 3 –гидравлический клапан с электромагнитным управлением; 4 – блок питания «КАМАК»; 5 – вентиль; 6 – датчик давления ЛХ-412-600; 7 – манометр образцовый; 8 – блок оргстекла (модель); 9 - крейт измерительной системы SCC (National Instruments, США); 10 – измерительные модули системы SCC В состав стенда входят гидравлическая и измерительная системы, а также модель среды, которая представляет собой сменный блок оргстекла (полиметилметакрилата) размером 250 400 600мм с просверленными в нем небольшими скважинами глубиной 80 – 120 мм и диаметром 16мм каждая.
В гидравлическую систему стенда (Рисунок 2.13) входят ручной масляный насос высокого давления Н, пресс-расходомер Ц, вентиль ВН, манометр МН, гидравлический клапан с электромагнитным управлением Р, его блок питания «КАМАК» А1, электрический переключатель S1, устройство разрыва А9, датчик давления Д1, рукава высокого давления, интервал и трещина гидроразрыва.
Измерительная система стенда (Рисунок 2.13) включает крейт А2 c электронными устройствами (модулями) А3-А7, аналого-цифровой преобразователь А8, компьютер А10, сейсмические датчики (велосиметры) вертикальные Д2-Д3 и горизонтальные Д4-Д5, электрическую часть датчика давления Д1. Датчик давления Д1 представлен преобразователем тензометрическим мостовым преобразователем ЛХ-412-600 (АО «Тензоприбор», Россия) с диапазоном измерения давления 0-60МПа на частотах до 1,5 кГц. Датчики Д2 – Д5 – это геофоны (сейсмические приемники) GMT-12,5 (ООО «Геоспейс», Россия) c собственной частотой 12,5Гц и коэффициентом электромеханической связи (КЭМС) 24В/м/с. Два из них (Д2-Д3) предназначены для измерения вертикальной компоненты скорости упругих колебаний среды, другие (Д4-Д5) – горизонтальной компоненты. Электрические сигналы с выходов датчиков Д1-Д5 поступают на входы измерительных модулей аппаратуры SCC (National Instruments, США), установленных в крейте SCC 2345 (А2). В состав модулей входят двухканальные измерительные усилители А4, А6 с гальванической развязкой SCC-AI07, двухканальные фильтры А5, А7 низких частот SCC-LP04 с частотой среза 1кГц, модуль А3 для подключения мостовых датчиков SCC-SG04. Выходные сигналы модулей SCC через приборную шину крейта SCC2345 (А2) поступают на вход аналого-цифрового преобразователя NI DAQPad-6015 (А8). Оцифрованные данные через порт USB поступают в компьютер А10, где записываются в файлы формата txt. Управление сбором данных и измерительной системой стенда организовано в программной среде LabView (National Instruments, США).
Методика экранирования дегазационных скважин
Изоляционный полимерный состав. Изоляционный полимерный состав предназначен для создания внешнего слоя барьерного экрана и заполнения трещин, расположенных на внешних границах зонного экрана. Он служит для снижения проницаемости окружающих горных пород и оттока жидкости из полости барьерного экрана, а также из области повышенного пластового давления зонного экрана. Этот состав также может использоваться для укрепления рыхлых пород и грунтов [102]. Изоляционный состав, с одной стороны, должен хорошо пропитывать горные породы и, следовательно, обладать низкой начальной вязкостью, а с другой стороны существенно (на порядки) снижать проницаемость пород после полимеризации. Однокомпонентные полимерные составы и герметики не подходят для решения указанной задачи из-за высокой вязкости, которая ведет к низкой проникающей способности состава и к высокому гидравлическому сопротивлению при его закачке в скважину и трещину гидроразрыва. Кроме того, применение таких составов вызывает серьезные проблемы по очистке скважинного оборудования.
Требуемыми свойствами обладают двухкомпонентные рабочие жидкости на основе полиуретановых смол или акрилатных гелей с раздельной подачей низковязких компонент в полость экрана по отдельным рукавам высокого давления (РВД). При смешении компонент между собой и пластовой водой происходят химические реакции с образованием полимера. Известные двухкомпонентные составы для горных пород выполнены, как правило, на основе акрилатных гелей (см. главу 1), главными преимуществами которых являются низкая начальная вязкость компонент, соизмеримая с вязкостью воды, и отсутствие органических растворителей. Основным недостатком акрилатных составов является их высокая стоимость (11 – 14 евро/кг).
Компоненты полиуретановых смол по сравнению с акрилатными гелями имеют более высокую вязкость и, соответственно, более низкую проникающую способность. Но если вязкость компонент не превышает первые сотни мПа.с, то при создании противофильтрационных экранов это является скорее достоинством, поскольку способствует снижению утечек состава в горные породы, не создавая при этом проблем с закачкой. Из-за более дешевых (на порядок) реагентов экономические показатели экранирования дегазационных скважин в угольных пластах полиуретанами выше, чем акрилатами. Большинство известных полиуретановых составов предназначено для водоизоляции поверхности или приповерхностного слоя строительных сооружений и применяется в виде преполимера высокой вязкости (до 5 – 6 Па.с), который получают смешением компонент за несколько часов до начала работ. Образование полимера происходит за счет реакции преполимера с водой, которая или есть в среде (пластовая) или подается в зону герметизации по отдельному РВД. В таких составах содержание катализатора фиксировано, и время отверждения смолы не регулируется. Для создания разработанных экранов такие составы не пригодны из-за малой проникающей способности вязкого преполимера в трещину гидроразрыва и, как следствие, ее неполного заполнения. В связи с этим нами разработан рецепт полимерного состава на основе трех рабочих жидкостей, одна из которых представляет водный раствор неорганического реагента для вспенивания полиуретанового состава и используется в качестве рабочей жидкости гидроразрыва, а две другие -маловязкие компоненты для создания смолы - используются для заполнения сформированной трещины по двум отдельным РВД.
Рецепт полимерного состава. В разработанный состав входят три рабочие жидкости, одна из которых жидкость гидроразрыва, а две другие — компоненты полиуретановой смолы, в т.ч. преполимер пониженной вязкости с избытком изоцианата (далее преполимер) и гидроксилсодержащий пластификатор (далее пластификатор). Для уменьшения вязкости в преполимер и пластификатор введен сложный эфир насыщенной алифатической карбоновой кислоты 2,2,4-триметил-1,3-пентандиолдиизобутират (растворитель). В начальном состоянии преполимер содержит только половину диола (гидроксилсодержащий реагент), необходимого для получения эластичного полимера. Другая половина гидроксилсодержащего реагента вместе с катализатором и растворителем входит в состав пластификатора. За счет этих мер вязкость преполимера при стандартных условиях по ГОСТ Р 8.733-2011 (температура 20С, давление 0,101325 МПа. (760 мм рт. ст.)) уменьшена до 180-200 мПа-с.
Преполимер готовят за 1 ч до начала работ из полиизоизоцианата Wannate PM-200 (Китай) и гидроксилсодержащего реагента — 38об.% раствора пропандиола в 2,2,4-триметил-1,3-пентандиолдиизобутирате, которые смешивают в массовом соотношении 79 : 21. Преполимер образуется за счет экзотермической реакции между диизоцианатом и диолом, которая протекает за счет полиприсоединения по механизму ступенчатой полимеризации и сопровождается постепенным нарастанием вязкости образующегося соединения [9]: