Спосіб визначення тиску й метаноносності вугільного пласта

Спосіб визначення тиску і метаноносності вугільного пласта, що включає відбір проби вугілля із пласта і вимірювання температури пласта, який відрізняється тим, що спочатку проводять попереднє тестування вугільного пласта в лабораторних умовах, для чого із проби вугілля готовлять визначену кількість зразків однакової маси в гранулах близького розміру, кожний із зразків насичують метаном до рівноважного тиску в діапазоні тисків від 0,5 до 10 МПа при температурі, рівній C2 2 (13) 1 3 89740 4 Найбільш близьким до способу, що заявляєтьГранули зразка вибирають близького (однакося по технічній суті є спосіб визначення тиску газу вого) розміру щоб підвищити точність вимірів і в метаноносному вугільному пласті, який описаний знизити погрішність, викликану неконтрольованою у патенті Російської Федерації за №2007586, МПК дисперсією розмірів гранул вугілля в пробі по проE21F7/00, опубл. 15.02.1994р. Спосіб включає бутотипі. Визначена, тобто задана кількість зразків ріння свердловини через породну товщу до перенеобхідна для того, щоб насичувати кожний зразок тинання з вугільним пластом, герметичний відбір вугілля різним рівноважним тиском. Таким чином, проби вугілля із пласта керногазонабірником, вимоделюються можливі термодинамічні умови замір температури пласта. На відібраних зразках лягання вугілля в шарі, вплив цих умов на метановизначають вологість, щільність, пористість, а таносність вугілля. При тестуванні, реєструючи хід кож природну метаноносність вугілля й параметри десорбції метану по черзі із всіх зразків у замкнуту ізотерми сорбції метану. При цьому тиск газу у посудину певної ємності або визначаючи метановугільному пласті визначають шляхом чисельного носність вугілля, ми одержуємо, згадані вище, фікрішення відповідного рівняння. совані залежності, тобто інформацію про кореляВідомий спосіб не дозволяє одночасно оцінюцію між інтенсивністю емісії метану з вугілля, вати тиск газу та газоносність вугільного пласта. пластовим тиском метану і його змістом у вугіллі. Крім того, для вирішення наведеного рівняння неТому що інтенсивність десорбції залежить від сеобхідне використання великої кількості структурреднього розміру гранул вугілля, то важливим них параметрів вугілля, що ускладнює спосіб. Неелементом при одержанні фіксованих залежносдостатня точність вимірів, обумовлена тей є умова малої дисперсії розміру гранул вугілля неконтрольованою дисперсією розмірів гранул в зразках. Вимога малої дисперсії, у цьому випадвугілля в пробі і відсутністю обліку втрат газу до ку, підвищує точність і одержувані фіксовані залепочатку проведення вимірів. жності, і, як наслідок, шахтні виміри десорбції меВ основу винаходу поставлена задача ствотану в замкнуту посудину. рення способу визначення тиску і метаноносності Тиск у конкретному місці вугільного пласта завугільного пласта, шляхом попереднього тестулежить від глибини залягання цього пласта, а тавання пласта в лабораторних умовах, що дозвокож від глибини виїмки проб вугілля із пласта. Для лить підвищити точність і оперативність визначенстворення фіксованих залежностей більш зручно ня тиску і метаноносності вугільного пласта в заздалегідь визначити діапазон тисків насичення шахтних умовах у місці відбору проби. зразків метаном. Щоб одержати в лабораторії зраПоставлена задача вирішується тим, що в зки вугілля зі змістом метану в діапазоні можливих способі визначення тиску і метаноносності вугільзначень газоносності ділянки пласта, що відпраного пласта, який включає відбір проби вугілля із цьовується, зразки варто насичувати метаном під пласта й вимір температури пласта, відповідно до тиском не більше ніж 10МПа. При більш високих винаходу спочатку проводять попереднє тестутисках метаноносність вугілля зростає тільки за вання вугільного пласта у лабораторних умовах. рахунок підвищення концентрації метану у відкриДля цього із проби вугілля готовлять визначену тих порах - фільтраційних каналах - вугілля. Тиск кількість зразків однакової маси в гранулах близьметану, який необхідно використовувати для мокого розміру. Кожний із зразків насичують метаном делювання вугільне-метанової системи, залежать до рівноважного тиску в діапазоні тисків від 0,5 до від конкретної глибини залягання вугілля і перебу10Мпа при температурі рівній температурі вугільвають у діапазоні від 0,5 до 10МПа. ного пласта. Вимірюють, при десорбції метану в Історія вивчення системи вугілля-метан дає замкнуту посудину, кількість вільного й адсорбопідставу говорити про три фазові стани метану: ваного метану, що виділяється з відкритих пор і вільний газ у порах і тріщинах; метан у вигляді тріщин зразка і кількість метану зразка, що виділямолекул адсорбованих на поверхнях вугілля і абється із закритих пор. Визначають метаноносність сорбований стан у вигляді молекул у блоках вугілзразка для кожного рівноважного тиску як суму ля з утворенням твердого розчину метану в вугілвсього метану, що десорбований. Фіксують, для лі. Тому надалі, визначаючи метаноносність всіх зразків, залежність змінювання тиску за певвугілля або вивчаючи десорбцію метану, викорисний час в замкнутій посудині при десорбції метану товують терміни і позначення з урахуванням того, від величини рівноважного тиску насичення і защо метан перебуває в лежність кількості метану в зразку від величини а) вільному стані у відкритих тріщинах і порах; рівноважного тиску насичення зразка метаном. б) адсорбованому стані на поверхнях вугілля; Після чого в шахті вимірюють зміну за певний час в) мікроблоках вугілля. тиску в замкнутій посудині при десорбції метану зі Виявлення фіксованих залежностей базується зразка. Тиск і метаноносність вугільного пласта в на результатах лабораторних вимірів кінетики демісці відбору проби визначають шляхом порівнянсорбції метану і визначенні його вмісту в вугіллі ня обмірюваної величини зміни тиску в посудині із після попереднього насичення його метаном при результатами лабораторного тестування. По фіктемпературі вугільного пласта, що тестується, та сованій залежності зміни тиску в замкнутій посурізних рівноважних тисків. У запропонованому віл дині від величини рівноважного тиску насичення способі вимірюють кількість вільного Q метану в визначають рівноважний тиск метану у вугільному тріщинах і відкритих порах вугілля, кількість метаадс пласті. А по фіксованій залежності кількості метану ну Q адсорбованого на їхніх поверхнях і кільв зразку від величини рівноважного тиску насиченкість метану Qмб у мікроблоках вугілля. Визначаня визначають метаноносність вугільного пласта. ють метаноносність зразка для кожного рівноважного тиску як суму всього десорбованого 5 89740 6 віл адс метану: Q +Q +Qмб. Перші дві складові метано1. З балона 13 у контейнери 1 подавали меносності вугілля при діагностиці вугільнетан, створюючи в контейнерах 1 різні тиски. Наметанових проб в шахті не визначаються через приклад, у першому контейнері створили тиск втрату їх ще при відділенні проб вугілля від плас0,4МПа, у другому - 1,1МПа, у третьому - 1,9МПа, та. Запропонований спосіб визначення метаноноу четвертому - 2,7МПа, у п'ятому - 4,0МПа, шостосності вугілля враховує такі втрати і, тим самим му - 6,5МПа, сьомому - 8,4МПа, восьмому підвищує точність результатів діагностики. 10,0МПа. В шахті вимірюють зміну тиску за певний час 2. Встановлювали в шафі 10 температуру Тплапри десорбції метану зі зразка в замкнуту посудиста, що відповідає температурі вугільного пласта в ну того ж обсягу, що й посудина в лабораторних шахті і витримували контейнер 1 з вугіллям у таких умовах. Тиск і метаноносність вугільного пласта в умовах 360 годин. місці відбору проби визначають шляхом порівнян3. Встановлювали в посудині 4 атмосферний ня обмірюваної величини зміни тиску в посудині з тиск повітря і герметизували його форвакуумним результатами лабораторного тестування. Викоринасосом 9, вакуумували посудину 5 і герметизувастання фіксованих залежностей зміни тиску при ли її. десорбції і зміни кількості метану від величини 4. Реєстрували показання Рнас зразкового марівноважного тиску насичення метаном скорочує нометра 2 для першого контейнера 1 з вугіллям 3. час, необхідний для визначення кількості метану у Потім відкривали вентиль 8 і протягом 20-30 севугіллі і тиску метану у вугільному пласті при вимікунд скидали стислий метан у посудину 5, після рах, які проводяться безпосередньо в шахті в місці чого вентиль 8 закривали. Вимірником тиску 6 ревідбору проби. Це забезпечує швидкість і оператисброс єстрували тиск Pметан у посудині 5. вність одержуваних результатів. Крім того, порів5. Відкривали вентиль 7 і за допомогою вимірняння результатів вимірів з результатами тестуника тиску 6 реєстрували хід зміни тиску Рдес (t) в вання підвищує точність одержуваних результатів посудині 4 протягом 60 хвилин. Визначали повну за рахунок обліку втрат метану в пробі вугілля під час його відділення від пласта. Такі втрати станозміну тиску Pдес за увесь час реєстрації. влять іноді до 20% загального змісту метану у ву1 гіллі. Втрати відбуваються за кілька десятків се6. Витягували перший контейнер 1 із шафи 10 кунд при «розвантаженні» проби вугілля і пов'язані і, не від'єднуючи його від посудини 4, поміщали у з емісією як вільного метану із тріщин і відкритих воду, нагріту до T=80 С для більш швидкого і повпор, так і метану адсорбованого на їхніх поверхного виділення метану. Через 100 хвилин закринях. вали вентиль 7. За допомогою вимірника тиску 6 Спосіб реалізується за допомогою пристрою, реєстрували зміну тиску Pдес в посудині 4, висхематично представленого на Фіг.1. 2 На Фіг.2 наведена залежність зміни тиску в кликане прогрівом вугілля 3 у контейнері 1. замкнутій посудині при десорбції метану за 20 7. Операції, що перераховані в пп. 1-7, виконухвилин (інтервал 15-35хв.) від початкового як фунвали для інших зразків вугілля 3 насичених метакції вихідного тиску насичення вугілля. ном при інших значеннях тиску Рнас. На Фіг.3 показана залежність кількості метану 8. Завантажували вихідний зразок вугілля 3 у Q у вугіллі від величини рівноважного тиску насиконтейнер 1 і, використовуючи методику див. [Мечення. тодичні зазначення по визначенню змісту сорбоПристрій для визначення тиску і метаноноснованого й вільного метану у викопних вугіллях. Мак сті вугільного пласта містить контейнери 1 зі зразНДІ, Москва-Донбас, 1997р., с.19], вимірювали ковими манометрами 2 для насичення вугілля гавільний об'єм Vконт контейнера 1 із вугіллям 3 і зом. Кількість контейнерів 1 з манометрами 2 зразкового манометра 2 що примикає до контейдорівнює кількості зразків вугілля 3. Герметична нера 1. посудина 4 об'ємом V1 і 5 об'ємом V2 з вмонтова9. Завантажували вихідний зразок вугілля 3 у ними вимірниками тиску 6. Об'єм посудини 5, приконтейнер 1. Встановлювали в посудині 4 атмосблизно, в 10 разів більше обсягу посудини 4. Венферний тиск повітря і герметизували його. Контейтилі 7 і 8, які в нормальному стані закриті. нер 1 зі зразком вугілля 3, у який не подавався Форвакуумний насос 9. Шафа 10 з регулюванням і метан, приєднували до посудини 4, і далі, подібно автоматичною стабілізацією температури. Сита 11 тому, як і в п. 6, визначали зміну тиску Рпар в кондля відсівання необхідної фракції вугілля. Балони тейнері, викликану виділенням пара води з вугіл12 і 13 зі стислим гелієм і метаном відповідно. ля. Вимір цього тиску є необхідним для виділення Комп'ютер 14 із програмним забезпеченням складової Pдес , яка обумовлена виділенням EPW32 для оптимізації параметрів інтерполяції 2 дослідних даних. метану. Спосіб реалізують таким чином. 10. Для всіх рівноважних значень тисків Рнас Для готування зразків використовували вибурнасичення розраховували кількість метану Qмб, що ку вугілля, наприклад, пласта L3 шахти «Алмазна» виділилась з мікроблоків, розраховуючи на одинимасою 5кг природної вологості. За допомогою сит цю маси вугілля. дес 11 відсівали вибурку вугілля і виділяли грнаули 11. Експериментальні значення величин Р (t) розміром, наприклад, 0,2-0,4мм. Формували 10 вводили в комп'ютер і за допомогою програми зразків вугілля рівної маси в гранулах 0,2-0,4мм. З EPW32 знаходили чисельні значення параметрів дес них 8 зразків зсипали в контейнери 1, потім: інтерполяційної функції Р =f(t), яка має найменше відхилення від експериментальних зна 7 89740 8 чень. Інтерполяцію виконували для кожного знагелію і метану в контейнерах 1. Поправочний коечення тиску насичення Рнас. На основі чисельних фіцієнт k пов'язаний з різною стискальністю гелію і дес даних функції Р =f(t) для кожної кривої визначали метану. Він залежить не тільки від тиску, але й від температури газу. дес - зміна тиску в посудині 4 у проміжку P 18. Потім визначали кількість метану Qадс ад15 35 сорбованого на поверхнях відкритих пор і тріщин часу від 15-ти до 35 хвилин десорбції. Така інфородиниці маси вугілля по формулі мація необхідна, тому що при оперативній (експресній) діагностиці вугільного пласта в шахтних сброс V2 Pметан k Pсброс То умовах перші 10-15 хвилин витрачаються на бугелій (2) адс Q ріння пласта, відсівання вугілля та інші операції. Р0 Тпласта mвугілля віл 12. Чисельні значення Pдес що відпові19. Підсумовували чисельні значення Qмб, Q 15 35 адс і Q , що відповідають кожному тиску Рнас насидають кожному тиску насичення Рнас, вносили в чення, результати підсумовування вносили в базу базу даних комп'ютера, і за допомогою програми даних комп'ютера і, за допомогою програми EPW32 знаходили чисельні значення параметрів EPW32, знаходили чисельні значення параметрів інтерполяційної функції . Pдес f P інтерполяційної функції Q=f2(Рнасич). Графічний 15 35 1 насич вигляд цієї функції наведений на Фіг.3. Всі цифрові Графічний вид цієї функції показаний на Фіг.2. Всі значення інтерполяційної функції складають зміст цифрові значення функції Pдес стаf P другої фіксованої залежності кількості метану Q у 15 35 1 нас вугіллі від величини рівноважного тиску насиченновлять зміст першої фіксованої залежності зміни ня. тиску в замкнутій посудині при десорбції метану за 20. Безпосередньо в шахті вибурюють сверд20 хвилин (інтервал 15-35хв.) від початкового тисловину до зони вугільного пласта, що діагностуку насичення вугілля. віл ють, витягають штиб вугілля (здрібнене вугілля), 13. Визначали обсяг вільного метану Q у відвідсівають на ситах і виділяють пробу вугілля такої критих порах одиниці маси вугілля по формулі: ж маси і гранулах такого ж розміру, як і зразки в To Pнас Vоп Qвіл лабораторних вимірюваннях. Через 15 хвилин (1) оп Тпласта Ратм після початку буріння в зоні пласта, який діагносДе: тують, пробу зсипають в ампулу, поміщають її в Voп - питомий об'єм відкритих пор і тріщин, що посудину такого ж об'єму, як і посудина 4 і гермевизначається по даним спеціальної довідкової тизують її. Через 35 хвилин після початку буріння літератури або за результатами окремих пікномезони, що діагностують, вимірюють зміну тиску тричних вимірів; у посудині 4 і за допомогою першої фікPдес Рнас - тиск метану в камері насичення, 15 35 Ратм=0,1МПа - нормальний атмосферний тиск, сованої залежності визначають тиск Рнас метану в Те=213 К - нормальна температура, місці відбору проби вугілля. По значенню величиТпласта - температура вугільного пласта в грани Рнас, за допомогою другої фіксованої залежносдусах по шкалі Кельвіна. Одержували числові знаті, визначають кількість метану у вугіллі в місці віл чення функції Q =f(Pнac) у всім діапазоні тисків відбору проби. насичення. Приклад. 14. Контейнери 1 з вугіллям 3 заповнюють Визначення тиску і метаноносності вугільного стислим гелієм з балона 12, і створюють у контейплата проводили на шахті «Алмазна», вугільний нерах 1 тиск, такий який був у випадку насичення пласт L3, горизонт (глибина) 550 метрів, темперазразків 3 метаном. тура пласта Тпласта=21 С, природна вологість ву15. Посудину 5 вакуумували. Приєднували когілля 3,2%. Зразки вугілля 3 для визначення фікнтейнер 1 з вугіллям 3 і стислим гелієм до посудисованих залежностей формували в гранулах 0,2ни 5 і, відкривши вентиль 8, «скидали» стислий 0,4мм, кожний масою mвугіл=18грам. Об'єм посудин 3 3 гелій, що втримувався в ньому, у посудину 5. Ре4 і 5, відповідно, V1=475см і V2=8944см . Норма2 льний атмосферний тиск Ро=10 кПа. єстрували величину тиску Pсброс в посудині 5. гелій Для проведення попереднього тестування і 16. Операції, подібні зазначеним у пп. 4 і 15 визначення фіксованих залежностей наведені ровиконували, коли в контейнері 1 немає вугілля 3, зрахунки які виконувались. після чого реєстрували відповідні величини тисків Тиск насичення метану в контейнері 1 з вугіллям 3 дорівнює сброс Pсброс і оPметан в посудині 5. о гелій Рнас=2,7МПа. Експериментальні дані: 17. Визначали величину відносини сброс k о Pметан /o Pсброс при всіх однакових тисках гелій сброс Pдес 7.45 МПа ; Pдес 20 .38 кПа; Рпари 0.25 кПа; Рметан 15 .97 кПа; Рсброс 1 2 гелій сброс 19 .12 кПа; Рсброс 3 / г; V 3. оРгелій о метан 20 .27 кПа; Vоп 0.06 см конт 52 см 14 .76 кПа; 9 Кількість метану QМб у мікроблоках: Рдес 1 Qмб 7.45 Рдес Рпари V1 Vконт То 2 10 2 mвігілля Тпласта 20 .38 0.25 475 52 273 7.5см3 / г 7.5м3 / Т 10 2 18 294 Кількість вільного метану Q рах і тріщинах вугілля: Q 89740 To Pнас Vоп Тпласта Ратм віл 273 2.7 10 6 0.06 294 0.1 10 6 у відкритих по1.5см3 / г 1.5м3 / Т Поправочний коефіцієнт k: k o Pсброс /о Рсброс 20 .27 / 19 .12 1.060 . метан гелій адс Кількість Q метану, адсорбованого на поверхні гранул, відкритих пор і тріщин вугілля: Q адс 8944 V2 сброс Pметан сброс k P гелій То Р 0 Т пласта mвугілля 15 .97 1.06 14 .78 273 1.5 м3 / Т 2 294 18 10 10 Кількість Q метану в вугіллі: віл адс 3 Q=Q +Qмб+Q =1.5+7.5+1.5=10,5 м /Т. Після чого в шахті вимірювали зміну тиску в посудині при десорбції метану із зразка. Наприклад, при вимірі отримано, що для проби вугілля яка діагностується Pдеc 3.1кПа . Тому, від15 35 повідно до першої фіксованої залежності, тиск метану у вугіллі, в місці відбору проби становить 4,85МПа. Відповідно до другої фіксованої залежності при такому тиску метану його кількість у ву3 гіллі становить 15,2м /Т. Наведений приклад виконання підтверджує досягнення технічного результату при здійсненні способу, що заявляється, тобто те, що спосіб дозволяє по попередньому тестуванню вугільного пласта в лабораторних умовах точно та оперативно визначати тиск і метаноносність вугільного пласта в шахті, у місці відбору проби. 11 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 89740 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601