Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного с

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ПРОНИЦАЕМОСТИ В ПРОЦЕССЕ ЦИКЛИЧЕСКИХ

СОРБЦИОННЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

С.В. Сластунов, slastunovsv@mail.ru, Г.Г. Каркашадзе, g-karkashadze@mail.ru, Е.П. Ютяев, ChikurovIV@suek.ru

INTENSIFICATION OF EXTRACTION OF METHANE FROM COAL SEAMS BASED ON THE INCREASE IN THEIR PERMEABILITY DURING CYCLIC SORPTION STRAIN

S.V. Slastunov, slastunovsv@mail.ru,

G.G. Karkashadze, g-karkashadze@mail.ru,

E.P. Utaev, ChikurovIV@suek.ru

Представлены результаты разработки и шахтных испытаний способа пластовой дегазации угольных пластов, в котором достигнуто увеличение дебита метана за счет повышения проницаемости угля за счет сорбционных деформаций. Циклическое открытие и закрытие устья дегазационных скважин приводит к росту газопроницаемости угля за счет увеличения и уменьшения пластового давления метана, что вызывает соответственно остаточные сорбционную усадку и разбухание угля.

Presents the results of the mine development and testing of a formation method of degassing of coal seams, which achieved an increase in the methane production rate by increasing the permeability of coal by sorption strain. Cyclic opening and closing the mouth of the drainage holes leads to increased permeability of the coal by increasing and decreasing reservoir pressure of methane, causing respectively the residual sorption shrinkage and swelling of coal.

В новом техническом решении реализован эффект деформаций при сорбции метана, что проявляется в процессах усадки и разбухания угля при циклическом изменении пластового давления метана. Показано, что сорбционные деформации при изменении давления метана в угольном пласте способны вызвать предельные механические напряжения, которые приводят к расширению и распространению дополнительных каналов газопроницаемости. Разработан и апробирован в ус-

41

ловиях шахты им. С.М. Кирова ОАО «СУЭК-Кузбасс» способ дегазации угольного пласта, предусматривающий циклическое открытие и закрытие скважин, ранее пробуренных из оконтуривающих выработок. Показано, что циклы повышения давления метана в скважине более 5 бар способны вызвать относительные деформации, сравнимые с предельными деформациями угля при сжатии или растяжении.

Выполнено компьютерное моделирование процесса массопереноса в процессе циклического изменения пластового давления метана. При моделировании учитывается, что процесс массопереноса метана в угольном пласте описывается нелинейным дифференциальным уравнением с учетом механизма сорбции Ленмюра. После одного цикла закрытия и открытия скважины проницаемость угля в области сорбционных деформаций возрастает в среднем в 5 раз. Представлен результат компьютерного моделирования, совпадающий с экспериментальным результатом, полученным в шахтном эксперименте.

Разработана методика расчета параметров дегазации вокруг дегазационной скважины, что позволяет прогнозировать съем метана во времени и оперативно осуществлять оптимизацию технологического процесса предварительной дегазации угольного пласта.

42

ФИЗИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИСТЕРЕЗИСА В ПРОЦЕССЕ ЦИКЛИЧЕСКИХ СОРБЦИОННЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ДЕГАЗАЦИИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА

Г.Г. Каркашадзе, g-karkashadze@mail.ru, К.С. Коликов, kolikovks@mail.ru, Е.П. Мазаник, mazanikev@lnk.suek.ru, М.Г. Лупий, lupiymg@suek.ru

PHYSICAL GEOMECHANICAL

EQUATIONS OF HYSTERESIS DURING CYCLIC SORPTION DEFORMATION DURING DEGASSING OF THE COAL SEAM

Сформулированы физические уравнения взаимосвязи напряжений и деформаций с учетом эффекта геомеханического гистерезиса в процессе нестационарного действия напряжений от горного давления и сорбционных деформаций, вызванных циклической дегазацией угольного пласта. Показано, что сорбционные деформации способны приводить к нарушению сплошности и повышению газопроницаемости угольного пласта.

Formulated physical equations of the relationship of stress and strain with regard to the effect of geomechanical hysteresis in the non-stationary process of stresses from the rock pressure and the sorption deformations caused by cyclic degassing of the coal seam. It is shown that sorption deformation can lead to discontinuity to improve the gas permeability of the coal seam.

Воснову физического уравнения положен механизм разбухания

иусадки угля, происходящий в процессе сорбции метана в объеме угля. В процессах сорбционных деформаций угля изменяется напряжен- но-деформированное состояние, следствием которого является увеличение или уменьшение проницаемости угля, что имеет экспериментальное подтверждение. В физической модели представлена суперпозиция механических напряжений от горного давления с учетом сорбционных деформаций. Модель отражает механизм неупругого и нелинейного механизма деформирования с гистерезисом, когда после цикла изменения механической нагрузки и сорбционных процессов деформа-

43

ции структурные элементы угля не возвращается в исходное состояние и возникают остаточные деформации. В модели используют переменную величину модуля деформаций, зависящую от ранее действовавших напряжений. Представлена типичная экспериментальная диаграмма упруго-пластических деформаций среды с эффектом геомеханического гистерезиса, и сформулированы логические условия выбора модуля деформаций в зависимости от действовавших ранее сжимающих или растягивающих напряжений.

Для связи процесса массопереноса метана и сорбционных и механических напряжений используется экспериментальная зависимость в виде экспоненты между газопроницаемостью угля и средними механическими и сорбционными деформациями.

Использование в физических уравнениях переменного модуля деформации, отражающего фактор гистерезиса в диаграмме деформирования, а также учет явления памяти напряжений, в частности, открывает возможности моделирования процессов деформации при циклических механических и сорбционных воздействиях на угольный пласт.

44

РАСЧЕТЫ УСТОЙЧИВОСТИ СКВАЖИН

ВУСЛОВИЯХ НЕДОСТАТОЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ

ОГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ ГОРНЫХ ПОРОД

С.Г. Ашихмин, Д.В. Шустов,

Ю.А. Кашников, Geotech@pstu.ac.ru

STABILITY ANALYSIS OF WELLS WITH LACK

OF RELIABLE GEOMECHANICAL ROCK PARAMETERS

S.G. Ashikhmin, D.V. Shustov,

Yu.A. Kashnikov, Geotech@pstu.ac.ru

Представлены результаты расчетов устойчивости наклонных скважин в слабых глинистых породах методом конечных элементов. В качестве расчетной модели использовалась упругопластическая трансверсально-изотропная среда с критерием разрушения Кулона– Мора и с учетом возможности сдвигов по напластованию. Показано, что при отсутствии надежной информации о геомеханических характеристиках массива калибровка параметров модели может быть выполнена методом обратных расчетов.

Stability analysis of inclined wells in weak clays are presented. Finite element model with realization of elasto-plastic transversal-isotropic medium with Mohr-Coulomb yield criterion was used; also possibility of shear along bedding was taking into account. The possibility to establish reliable parameters of geomechanical model through "back analysis" was shown.

Внастоящее время для анализа и прогноза устойчивости скважин

вразличных горно-геологических условиях обычно используются сравнительно простые аналитические методы, основанные на упругих моделях горного массива и различных критериях разрушения горных пород. Такой подход реализован во многих инженерных программных пакетах. Однако получаемые таким образом решения не дают полного представления об устойчивости пород, так как для реальной скважины разрушение в одной или нескольких точках контура сечения еще не означает потери устойчивости выработки в целом. В особенности это относится к таким горным породам, как пластичные глины, глинистые сланцы, слабые неуплотненные песчаники. Для этих пород упругой модели гор-

46

ного массива уже недостаточно из-за развития существенных пластических деформаций. В этом случае потеря устойчивости происходит в форме значительных смещений пород без видимого их разрушения, что приводит к прихватам и затяжкам бурового инструмента.

В работе показана возможность анализа устойчивости наклонных скважин в слабых глинистых породах с использованием упругопластической трансверсально-изотропной модели массива с критерием разрушения Кулона–Мора и с учетом возможности сдвигов по напластованию, реализованной методом конечных элементов. Показано, что при отсутствии надежной информации о геомеханических характеристиках массива калибровка параметров модели может быть выполнена методом обратных расчетов на основе опыта успешного бурения скважин в аналогичных условиях. Критерием устойчивости могут быть заданная величина радиальных перемещений и величина эквивалентных пластических деформаций.

Таким образом, при проходке скважин в неустойчивых породах оценка их устойчивости возможна на основе численного моделирования напряженно-деформированного состояния массива с использованием упругопластических моделей даже при отсутствии кернового материала для лабораторных исследований физико-механических свойств. Необходимое параметрическое обеспечение может быть получено методом обратных расчетов на основе опыта успешного бурения скважин.

47

ПРЕДЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ НАСЫЩЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

А.Г. Протосеня, rock_mechanics_2015@mail.ru

Приведены результаты экспериментальных исследований насыщенных пород в условиях объемных напряженных состояний ( 1 > 2 = 3) при разных боковых давлениях 2. В опытах для обеспечения чистоты эксперимента в качестве флюида использовали нейтральный газ азот или жидкости, не вызывающие заметного изменения механических свойств пород при отсутствии порового давления.

Обсуждаются закономерности изменения прочностных характеристик горных пород, вызванные наличием порового давления в породе, создаваемого жидким или газообразным флюидом. Анализ экспериментальных данных показал, что увеличение уровня порового давления приводит к снижению прочности пород.

Приведены экспериментальные исследования коллекторских свойств горных пород. Установлены экспериментальные зависимости объемной сжимаемости от всестороннего сжатия и эффективного давления. Выявлена проницаемость горных пород при фильтрации жидких флюидов в условиях сложного напряженного состояния. Экспериментально установлено, что сжимаемость горных пород пропорциональна пористости, а с ростом приложенного напряжения сжимаемость убывает по экспоненциальной зависимости. Породы с трещинной структурой порового пространства наиболее чувствительны к изменению напряженного состояния. Сжимаемость пустых трещин нормально их плоскости может достигать сжимаемости газов.

Коэффициент сжимаемости для образцов с разной пористостью зависит от давления всестороннего сжатия или эффективного напряжения, особенно при их изменении в диапазоне от 0–20 МПа. С увеличением давления всестороннего сжатия (эффективного напряжения) коэффициенты сжимаемости практически не зависят от пористости при изменении напряженного состояния.

Экспериментально получено общее условие изменения коэффициента проницаемости по газу в зависимости от форм и видов связи влаги в породах и интенсивности напряженного состояния. Установленная закономерность изменения проницаемости от давления всестороннего сжатия связана с характером деформирования пород с различным ти-

48

пом структуры порового пространства. С ростом давления всестороннего сжатия в первую очередь закрываются трещины, а деформация скелета происходит менее значительно, что регистрируется по коэффициентам проницаемости и объемной сжимаемости.

Выполнено теоретическое обобщение полученных результатов. Насыщенную пористую среду с точки зрения механики сплошной среды можно рассматривать как двухфазную. Одна фаза – флюид,

а другая – твердые частицы скелета.

На величину пористости в предельном состоянии горных пород оказывает влияние развитие процесса деформирования. В допредельном и предельном состояниях на этот процесс накладывается второй конкурирующий процесс накопления повреждений под действием сдвиговых и нормальных напряжений.

Для описания предельного состояния насыщенных пород предложены и обоснованы обобщенные условия прочности Кулона и А.Н. Ставрогина, учитывающие влияние порового давления.

Проведено исследование системы дифференциальных уравнений теории предельного состояния насыщенных сред. Приведены решения упруго-пластических задач о распределении напряженного состояния вокруг скважин в насыщенных породах при гидростатическом и негидростатическом напряженном состоянии нетронутого массива.

49

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИРОДНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НА ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ПОРОДЫ В ОКРЕСТНОСТИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ

Д.М. Климов, В.И. Карев,

Ю.Ф. Коваленко, perfolinkgeo@yandex.ru

На Испытательном стенде трехосного независимого нагружения ИПМех РАН выполнено физическое моделирование влияния природного напряженного состояния на деформирование и разрушение породы в окрестности горизонтальной скважины. Показано, что наличие бокового распора оказывает существенное влияние на устойчивость ствола скважины. Этот факт необходимо учитывать при строительстве и эксплуатации скважин.

A physical simulation of the influence of the natural stress state on deformation and fracture of rocks in the vicinity of the horizontal well was performed at IPMech RAS using Triaxial Independent Loading Test System. It is shown that the presence of lateral thrust has a significant impact on the stability of the borehole. This fact must be taken into account in the construction and operation of wells.

Вопрос о влиянии природного напряженного состояния в продуктивном пласте на устойчивость стволов скважин приобрел в последнее время особую актуальность в связи с повсеместным внедрением в практику технологии добычи нефти и газа с помощью многостадийного гидроразрыва пластов из горизонтальных скважин.

Начальное поле напряжений характеризуется тремя главными напряжениями – вертикальным и двумя горизонтальными – максимальным и минимальным. Соотношения между главными напряжениями могут быть различными, их величины обусловлены весом вышележащих пород, геологической структурой массива, тектоническими процессами.

Наличие в пласте неравномерного исходного поля напряжений (бокового распора) приводит к тому, что при бурении горизонтальных скважин напряжения в ее окрестности, а следовательно, и устойчивость ствола скважины будут существенно зависеть от направления проводки относительно главных напряжений. Математическое моделирование деформирования и разрушения породы с учетом ее реаль-

50