На сьогоднішній день для паливно-енергетичного комплексу України існує потреба в пошуку додаткових джерел енергії



Скачати 165.23 Kb.
Дата конвертації14.07.2018
Розмір165.23 Kb.
ТипРеферат

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ ім. М.С. ПОЛЯКОВА

РЕФЕРАТ РОБОТИ:

«КОМПЛЕКСНИЙ ВИДОБУТОК ГАЗУ МЕТАНУ ПРИ ГЕОТЕХНОЛОГІЧНІЙ РОЗРОБЦІ ПРИРОДНИХ І ТЕХНОГЕННИХ РОДОВИЩ»

Автори:


1. АГАЄВ Руслан Агагулуєвич – кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України

2. КЛЮЄВ Едуард Сергійович – кандидат технічних наук, молодший науковий співробітник Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України

Дніпро – 2018

Актуальність роботи. На сьогоднішній день для паливно-енергетичного комплексу України існує потреба в пошуку додаткових джерел енергії. Дефіцит вугілля і газу сприяє тому, що почали вводити до розробки позабалансові та глибокі родовища в складних гірничо-геологічних умовах. Тому актуальним стає питання використання альтернативних джерел енергії, серед яких великого значення набуває метан вугільних родовищ, запаси якого, у перерахунку на умовне паливо, займає четверте місце у світі після нафти, вугілля і природного газу. За різними даними його запаси в Україні становлять від 4 до 12 трлн м3, що в 2,0 - 2,5 рази перевищує запаси природного газу. При цьому технічно можливо видобути близько 30%, що дає можливість істотно зменшити імпорт природного газу і задовольнити потреби нашої держави в енергоносіях.

У такій ситуації для збільшення обсягів видобутку метану необхідно застосовувати комплексний підхід шляхом освоєння природних та техногенних вуглецевмісних родовищ, який відповідав би сучасному рівню розвитку науки і техніки, був економічно вигідним і екологічно безпечним. У таких випадках використання геотехнологій – це єдиний можливий спосіб, що дозволяє перевести корисні копалини в рухливий стан на місці залягання з подальшою видачею через свердловини на поверхню. Застосування геотехнологій забезпечує повну механізацію та автоматизацію технологічних операцій, сприяє швидкому освоєнню родовища, поліпшенню умов праці і високу ступінь вилучення корисних компонентів.

Одним із перспективних напрямків вирішення цього є комплексне освоєння вуглецевмісних ресурсів, зосереджених як в газонасиченому вуглепородному масиві (природне родовище), так і в заповнених породних відвалах та мулонакопичувачах вуглезбагачувальних фабрик (техногенне родовище). При цьому необхідно вирішувати ряд завдань, пов'язаних з отриманням даних про властивості, склад і особливості поведінки гірничого середовища при зовнішній дії на нього, що характеризується змінами стану та супроводжуються різними фізичними процесами у пористому середовищі.

Так, при промисловому видобутку газу метану головним завданням є збільшення проникності гірського масиву і підвищення термінів експлуатації поверхневих дегазаційних свердловин. Проблема його видобутку ускладнюється тим, що пластовий тиск газу, зазвичай, нижче гідростатичного тиску рідини і це сприяє глибокому проникненню бурового розчину в продуктивні пласти, що призводить до кольматації порового простору присвердловинної зони, а отже, зниженню проникності масиву і дебіту метану. Для вирішення даної проблеми необхідно розробити спосіб дії на присвердловину зону, який би зменшував гідростатичну складову на продуктивний горизонт, забезпечував декольматацію порового простору і встановлював можливість відновлення дебіту метану з урахуванням еколого-економічного ефекту. Разом з тим спосіб давав би змогу неодноразової обробки вуглепородного масивупід час і після виїмки вугільного пласту.

З іншого боку, існуючі процеси теплової дії на гірниче середовище характеризуються істотним зниженням кількості горючих компонентів у газовій фазі, значним забрудненням навколишнього середовища та складнощами в контролюванні процесу, що призводить до додаткових витрат. Одною з причин цього є недостатня вивченість процесів фізико-хімічних перетворень, що відбуваються у вуглецевмісній сировині, і відсутність обґрунтованого вибору раціональних параметрів теплової дії для отримання газової фази з високим вмістом метану.

Тому встановлення закономірностей зміни параметрів пневмодинамічної та теплової дії на вуглецевмісне середовище при його фізичних перетвореннях, що дозволяють обґрунтувати раціональні параметри цих процесів для подальшого вдосконалення існуючих та розробки нових геотехнологічних способів комплексного видобутку метану з природних та техногенних родовищ, є актуальною науковою задачею, яка має важливе значення для гірничої галузі.



Ідея роботи полягає у використанні властивостей гірничого середовища та закономірностей зміни його стану при пневмодинамічній і тепловій дії для розробки нових та вдосконалення існуючих способів комплексного видобутку метану в геотехнологіях розробки вуглецевмісних родовищ.

Мета роботи полягає у підвищенні рівня видобутку газу метану із природних та техногенних родовищ за рахунок встановлення закономірностей зміни їх стану та геотехнологічних властивостей під впливом пневмодинамічної та теплової дії на гірниче середовище .

Для досягнення поставленої мети сформульовано і вирішено наступні задачі:

- провести теоретичні дослідження процесів, що протікають у вуглецевмісному середовищі при пневмодинамічній та тепловій дії, й оцінити вихід газу метану на основі математичного моделювання;

- виконати експериментальні дослідження з визначення параметрів пневмодинамічної та теплової дії на гірниче середовище, що дозволить отримати метан з високим процентним вмістом;

- розробити технічну документацію для впровадження ефективних способів пневмодинамічної та теплової дії на гірниче середовище при комплексному видобутку метану з природних та техногенних родовищ.

Об'єкт досліджень: процес комплексного видобутку метану з газонасичених вуглецевмісних родовищ, які представляють собою вуглепородний масив (природне родовище), заповнений породний відвал та мулонакопичувач вуглезбагачувальних фабрик (техногенне родовище).

Предмет дослідження: закономірності зміни параметрів способів пневмодинамічної та теплової дії на гірниче середовище для видобутку метану з природних і техногених родовищ.

Наукова новизна отриманих результатів. На підставі виконаних досліджень отримано наступні найбільш важливі результати:

- вперше встановлено закономірність зміни радіуса ефективного впливу пневмодинамічної дії та тиску в поверхневій дегазаційній свердловині при об'єднанні об’єму свердловини з фільтраційним об'ємом гірського масиву;

- вперше обґрунтовано критерій ефективності пневмодинамічної дії на вуглепородний масив, який встановлюється шляхом оцінювання зміни тиску стисненого повітря у гирлі поверхневої дегазаційної свердловини під час нагнітання його компресором з логарифмічної на лінійні залежності при виконанні чергової дії;

- вперше встановлено, що рівень заповнення водою і наявність кольматаційного матеріалу в поверхневій дегазаційній свердловині визначається зміною тиску і витратами повітря при першому циклі пневмодинамічної дії;

- вперше встановлено залежності, які характеризують вплив співвідношень вугілля і породи в бінарних сумішах на питомий вихід газової фази, що дозволяють обґрунтувати параметри теплової дії в геотехнологіях розробки вуглецевмісних родовищ;

- вперше отримано залежності зміни виходу газової фази від температури процесу теплової дії на гірниче середовище для видобутку метану з техногенних родовищ.



Основні науково-технічні результати роботи.

Встановлено, що найбільш розповсюдженими способами видобутку метану з природних родовищ є гідродія через поверхневі свердловини, що пробурені на непідроблений вуглепородний масив. Аналіз роботи існуючих поверхневих дегазаційних свердловин показав, що на максимальне вилучення метану впливає розташування проекції вибою свердловини в нижній частині лави і в центрі виїмкової дільниці, а також їх кількість. Крім того, спостерігається взаємозв'язок поверхневих дегазаційних свердловин по радіусу їх впливу. Всього з ПДС було вилучено 28,95 млн м3, що свідчить про доцільність промислового видобутку метану.

Тому виникає необхідність у розробці способу дії неодноразової обробки присвердловинної зони вуглепородного масиву і після його підроблення для відновлення дебіту метану свердловини і як результат, подовження її строку експлуатації.

У результаті проведення повнофакторного аналізу із застосуванням методів математичної статистики отримано залежність, що дозволяє встановити ефективність пневмодинамічної дії через поверхневу дегазаційну свердловину в залежності від наступних параметрів: кількості циклів пневмодинамічної дії; величини, що характеризує зв'язок між кількістю циклів і відношенням об’єму свердловини до об’єму газоотримуючої частини свердловини (зони перфорації). Незначущими параметрами виявились величини, які характеризують відношення часу нагнітання стисненого повітря до часу скидання тиску і відношення температури масиву до температури стисненого повітря при нагнітанні його компресором в свердловину.

Сформульовано фізичну сутність пневмодинамічної дії на газонасичений вуглепородний масив. У свердловину під тиском подається стиснене повітря протягом деякого часу. У процесі фільтрації через глинисту кірку і закольматовану зону пласта-колектора відбувається його нагнітання в пласт, тим самим зростає пластовий тиск флюїду і при цьому виникають радіальні напруження у присвердловинній зоні масиву. Після того, як тиск в свердловині припинив збільшуватись здійснюють різке скидання. У разі, коли у свердловині відсутня вода, за рахунок нагнітання стисненого повітря відбувається осушення свердловини і межа міцності глинистої кірки зменшується і утворюються тріщини від напруження, що виникли при скиданні тиску, у разі, коли у свердловині присутня вода (пневмогідродинамічна дія), тиск на рівні колектора миттєво знижується до початкового, а пластовий тиск в присвердловинній частини колектора ще залишається більшим, ніж у ній. З цього моменту колектор починає витісняти в свердловину поданий у нього фільтрат, який частково руйнує глинисту кірку і товщина її зменшується, а пластовий тиск в присвердловиній частини колектора знижується. Зрештою, наступає момент, коли діючий градієнт тиску і початковий градієнт вирівнюються, і відновлюється початковий рівноважний стан системи «свердловина – колектор».

Встановлено, що зміна тиску, яка створена при нагнітанні стисненого повітря на вуглепородний масив через поверхневу дегазаційну свердловину, відбувається по залежності, близькій до логарифмічної, а при подальшому нагнітанні зростання тиску стабілізується і описується прямолінійними залежностями, що свідчить про об'єднання об’єму свердловини з фільтраційним об'ємом вуглепородного масиву. Новизна цього висновку полягає в тому, що вперше обґрунтовано критерій ефективності пневмодинамічної дії на вуглепородний масив шляхом оцінки тиску на гирлі поверхневої дегазаційної свердловини.

Якщо тиск стисненого повітря в поверхневій дегазаційній свердловині при пневмодинамічній (пневмогідродинамічній) дії на вуглепородний масив вище розрахункового, що свідчить про наявність води в свердловині, то радіус ефективного впливу становить близько 1 м, а якщо значення тиску в свердловині нижче розрахункового (пневмодинамічна), то приймає значення до 3 м. При цьому залежність зміни радіусу ефективного впливу від параметрів дії описується поліномом другого ступеня. Вперше встановлено, що рівень заповнення водою і наявність кольматаційного матеріалу в поверхневій дегазаційній свердловині визначається зміною тиску і витратами повітря при першому циклі пневмодинамічної дії. Достовірність підтверджується експериментальними дослідженнями з видобутку метану з природних родовищ в умовах вугільних шахт.

Експерементально доведено, що при наявності води радіус ефективного впливу пневмодинамічної дії в досліджуваній свердловині становив до 1,04 м, а при відсутності води радіус ефективного впливу з кожним наступним циклом змінювався в межах до 3 м.

Результати аналізу кривої відновлення тиску по свердловині МТ-340 вказують на те, що з кожним наступним циклом на пласт проникність збільшується, що свідчить про ефективність застосування пневмодинамічної дії і декольматаціі призабойного простору свердловини.

Визначено умови застосування і параметри способу пневмодинамічної дії на газонасичений вуглепородний масив, серед яких можна виділити:

- глибина дегазаційної свердловини – до 1360 м;

- кута нахилу свердловини ≈ 90о;

- глибина недобурювання – 8т (де т – потужність пласта, що розроблюється);

- відкрита пористість пісковика – від 5 %;

- розмір зони перфорації – від 250 м;

- робочий тиск – до 7 МПа;

- час нагнітання – до 360 хв;

- тиск скидання – до 0,1МПа;

- час спрацьовування засувки пристрою пневмодинамічної дії – не більше 0,1с ;

- час скидання – від 2-18 хв;

- кількість циклів – від 1 до 6 шт

або при виконанні таких умов:



    • збільшення дебіту метану – від 500 м3 / добу

    • якщо після виконання будь-якого циклу виконується умова (Q0 - дебіт свердловини до початку проведення робіт, м3 / добу; Qn - дебіт свердловини після n-го циклу дії, м3 / добу) – Qn ≥ 2Q0.

Розроблено технологічну схему способу проведення пневмодинамічної дії на газонасичений вуглепородний масив через поверхневу дегазаційну свердловину для інтенсифікації видобутку метану, сутність якого полягає в застосуванні стиснутого повітря з метою зниження величини тиску стовпа води на стінки свердловини при знакозмінному русі робочого агента в фільтраційному просторі. Представлена технологічна схема пройшла перевірку і відпрацьована в експериментальних дослідженнях і промислових випробуваннях.

Аналіз результатів роботи свердловин, пробурених на масив, що підробили гірничими виробками, по пласту m3, після пневмодинамічної дії на 01.10.2014 р. показав, що середньодобовий дебіт коливався в межах від 1,0 до 30,0 м3, при цьому обсяг видобутку склав 41,68 млн м3 метану. Встановлено можливість промислового видобутку метану і здатність відновлення дебіту свердловин при його зниженні, що дозволило збільшити їх термін експлуатації в 4,7 рази, а дебіт метану збільшити в 3 рази.

Встановлено, що існуючі технології розробки вуглецевмісних ресурсів, в основі яких лежить процес теплової дії, застосовують для отримання газової фази з високою теплотворною здатністю. Тому вдосконалення існуючих геотехнологічних способів розробки техногенних родовищ, що забезпечить максимальний вихід газової фази з високим вмістом метану, є одним із напрямів вирішення проблем на підприємствах паливно-енергетичного комплексу країни.

Статистичний аналіз отриманих даних дозволив вивести формулу для визначення вмісту органічного вуглецю при відомій зольності порід з урахуванням довірчого інтервалу і коефіцієнту детермінації. Проведений аналіз геотехнологічних властивостей вугільної та породної компоненти твердої вуглецевмісної сировини, на основі якого визначено речовинний, мінералогічний і елементний склад, дозволив встановити вихідні дані для постановки задачі теоретичних та експериментальних досліджень з оцінки впливу теплової дії на гірниче середовище.

На основі аналізу мінералогічного складу вуглецевмісних порід за допомогою поляризаційного мікроскопа встановлено, що до складу відходів, накопичених на вуглезбагачувальних фабриках, входять гідрослюда, яка представляє собою частинки многокутної форми з відносно прямими гранями, білого, місцями прозорого кольору, і частинки вугільного пилу неправильної форми чорного кольору, «оксамитової» структури. Встановлено, що після проведення теплової дії в полі мікроскопа спостерігалася відсутність вугільних частинок і незначний вміст гідрослюд, що пов'язано з їх частковим плавленням при нагріванні, оскільки вони втрачають молекулярну воду і збільшуються в об’ємі, так як волога, що випаровується, розсовує межпакетні проміжки. Добре помітні бурі включення, які передбачають присутність в складі карбонатів. У дрібній фракції переважають крапельки скла розміром від 3 до 5 мкм, більша частина з яких прозора. Детальний аналіз дозволив визначити, що до складу досліджених проб вуглецевмісної сировини входить 30-37% органічних речовин у вигляді вугільного пилу, 61-68% золи, 2-2,2% сірки і 10-70% глинистих частинок. Встановлено, що співвідношення основних мінералів наступне: гідрослюда - 40%, каолініт - 20%, силікати - 23%, хлорит - 17% .

Встановлено фізичну сутність процесу теплової дії на вуглецевмісне середовище для отримання газової фази, яка полягає в тому, вуглець перетворюється в монооксид вуглецю і метан, водень - в метан і молекулярний водень, а ступінь таких перетворень визначається швидкістю хімічних реакцій за законом Арреніуса.

Сформульовано фізико-хімічний механізм виділення компонентів газової фази при тепловій дії на вуглецевмісне середовище, сутність якого полягає в тому, що процес теплової дії характеризується двома стадіями: термічним розкладанням, в результаті якого виділяється волога, парогазові речовини і залишається коксовий залишок, і газифікацією, при якій вуглець коксового залишку перетворюється за допомогою кисню в горючі гази - монооксид вуглецю, метан, ненасичені вуглеводні. У разі, якщо ці компоненти будуть перебувати в контакті з поверхнею вуглефікованої речовини, то можуть протікати одночасно кілька послідовних чи паралельних фізико-хімічних реакцій.

На основі теоретичних досліджень фізико-хімічних процесів, що відбуваються у гірничому середовищі при різних температурних режимах, отримала подальший розвиток модель теплової дії на тверду вуглецевмісну сировину бінарного складу при обмеженому доступі повітря, яка відрізняється тим, що дозволяє визначити розподіл температур у часі в процесі теплової дії з врахуванням пористості гірничого середовища.

Узагальнення і аналіз результатів розрахунків по визначенню виходу компонентів газової фази при тепловій дії на вуглецевмісну сировину показав, що кількісний склад газової фази може змінюватися під впливом наступних факторів:

- речовиннийй склад (при температурах понад 1000оС цей вплив менш помітний);

- температура процесу (визначає співвідношення між кількістю компонентів газової фази: чим вище температура процесу, тим більше в газовій фазі водню і монооксиду вуглецю, при цьому кількість метану, діоксиду вуглецю і азоту знижується)

Експериментально-статистичним методом встановлено узагальнюючі залежності динаміки виходу газової фази, що дозволили визначити кількість метану при тепловій дії з урахуванням розмірів частинок і тривалості процесу, та регулювати цей процес з достатнім рівнем надійністю.

Експериментально встановлено, що питомий вихід газової фази при тепловій дії на гірниче середовище, що складається з бінарної суміші вугілля і породи, в інтервалі температур від 400 оС до 900 оС прямо пропорційний тиску, температурі процесу та швидкості нагріву і обернено пропорційний розміру частинок; тепловий процес характеризується лінійною залежністю виходу газової фази від температури. Це дозволило вперше встановити закономірності зміни питомого виходу газової фази з вуглецевмісної сировини, яке складається з бінарних сумішей вугілля і породи, від фізико-хімічних властивостей гірничого середовища і параметрів процесу з урахуванням можливих каталітичних ефектів. Достовірність цього забезпечується використанням фундаментальних положень термодинаміки гірських порід і хімічної кінетики, а також достатнім обсягом лабораторних досліджень, виконаних апробованими методами із застосуванням стандартних засобів вимірювань з апаратурною похибкою 2-5%; задовільною збіжністю результатів теоретичних і експериментальних досліджень.

Експериментально встановлено, що вихід метану, який утворюються при фізико-хімічних перетвореннях в процесі теплової дії на гірниче середовище, характеризується параболічною залежністю і в діапазоні температур від 750 оС до 850 оС має максимум. Новизна даного висновку полягає в тому, що вперше отримано залежності розподілу метану, монооксиду вуглецю і водню від температури в процесі теплової дії, що дозволяє підвищити вилучення горючих компонентів з газової фази. Достовірність отриманих результатів забезпечується достатнім обсягом лабораторних досліджень, виконаних апробованими методами із застосуванням стандартних засобів вимірювань, відносна похибка результатів досліджень не перевищує 20 %.

Аналіз результатів експериментальних досліджень показав принципову можливість здійснення теплової дії на вуглецевмісне середовище для отримання метану. Встановлено, що кількість і склад газової фази змінюється в широких межах і залежить від наявності в її мінеральному складі таких оксидів, як Fe2O3 і MgO, що сприяє прискоренню процесу розкладання органічних речовин і підвищує вихід газової фази в 1,1-1,3 рази.

Встановлено, що вихід метану для всіх досліджених проб у великих кількостях відбувається при температурі 800 оС, найбільша його кількість – 51 м3/ т утворюється при тепловій дії на відходи вуглезбагачення. Після 800 оС виділення метану знижується на 10-15%, але при цьому спостерігається подальше зростання кількості монооксиду вуглецю і водню. Встановлено наступні вихідні умови на проведення процесу теплової дії для отримання метану з максимальною концентрацією (53,1 %):

- вміст вуглецю – 35-37 %;

- вміст сірки – 0-0,5 %;

- вміст кисню – 3,0-3,5 %;

- вологість – 1,5-2 %;

- зольність – 55-57 %;

- вихід летких речовин – 52-55 %;

- розмір частинок – 0-3 мм.

Встановлено основні технологічні параметри процесу, серед яких виділяють:

- температура процесу – 600-800 оС;

- тиск процесу – 0,5-1,1105 Па;

- тривалість процесу – 1400-1600 сек;

- питомий вихід газової фази – 150-200 м3/т;

- питомий вихід метану – 140-160 м3/т;

- питомі енерговитрати – 2580-2730 кВтгод/т.



Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці:

- методик проведення експериментальних робіт і промислових випробувань способу дегазації вуглепородного масиву для інтенсифікації видобутку метану через поверхневі дегазаційні свердловини із застосуванням пневмогідродинамічної дії;

- способу пневмодинамічної дії на вуглепородний масив через поверхневу дегазаційну свердловину;

- технологічних схем інтенсифікації газовиділення в поверхневі дегазаційні свердловини;

- технічних вимог на спосіб дегазації вуглепородного масиву та інтенсифікації видобутку метану через поверхневі дегазаційні свердловини із застосуванням пневмогідродинамічної дії;

- технічного завдання на СОУ-П «Правила ведення пневмогідродинамічної дії для дегазації та інтенсифікації видобутку метану через поверхневі дегазаційні свердловини»;

- методики проведення експериментальних досліджень із визначення параметрів теплової дії на гірничу масу, що являє собою бінарну суміш вугілля і породи, для отримання газової фази;

- рекомендацій з ефективного використання способів термічної переробки вуглецевмісної сировини;

- рекомендацій з оцінки основних технічних і технологічних параметрів переробки вуглецевмісної сировини.

Обсяг впровадження роботи.

Основні результати досліджень використані при розробці доповнень до проекту інтенсифікації газовиділення із наступних поверхневих дегазаційних свердловин: 1186-Д, 1185-Д, МТ-340, Д-5, ЗД-2, ЗД-4, ЗД-5 і ЗД-8 в умовах ПАТ «Шахта ім. О.Ф. Засядька». Розроблені СОУ-П «Правила ведення пневмогідродинамічної дії для дегазації та інтенсифікації видобутку метану через поверхневі дегазаційні свердловини» та технологічні регламенти. У результаті реалізації способу дегазації вуглепородного масиву для інтенсифікації видобутку метану через поверхневі дегазаційні свердловини із застосуванням пневмогідродинамічної дії було видобуто 41,68 млн. м3 метану. Фактичний економічний ефект від застосування технології інтенсифікації видобутку метану із поверхневих дегазаційних свердловин склав 5,9 млн. грн.

Результати роботи використані при розробці рекомендацій з ефективного використання способів теплової дії та оцінки основних технічних і технологічних параметрів процесу, які передані і використовуються шахтою «Нестор» і збагачувальною фабрикою «Тандем» в геотехнологіях видобутку і переробки вугілля. Очікуваний річний економічний ефект від застосування розроблених рекомендацій склав 600 тис. грн.

За тематикою роботи опубліковано 41 наукова праця, зокрема 2 монографії, 21 статтю в спеціалізованих наукових журналах (з них 3, що входять до міжнародної наукометричної бази Google Scholar), 14 тез доповідей у збірниках матеріалів міжнародних конференцій, отримано 4 патенти України. Загальна кількість посилань на публікації претендентів – 12 (Google Scholar); індекс Гірша (h-індекс) – 2 (Google Scholar).


Автори:
Агаєв Руслан Агагулуєвич _______________________
Клюєв Едуард Сергійович _______________________

Поділіться з Вашими друзьями:


База даних захищена авторським правом ©wishenko.org 2017
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка