Практичне заняття № 3 Проходка каналів газифікації

Мета заняття: вивченнягазопроникністі гірських порід і вугільних пластів, способів підвищення проникності вугільних пластів.

3.1 Газопроникність гірських порід і вугільних пластів

Горные породы и угольные пласты обладают способностью пропускать сквозь себя жидкости и газы. Это свойство горных пород называют их.

В зависимости от вещества, проходящего через горные породы, различают водопроницаемость, газопроницаемость и т. п.

Под газопроницаемостью пород при подземной газификации углей понимается не только проход через породы собственно газа, но также и воздуха — дутья, применяющегося для выработки газа.

Жидкости и газы движутся по горным породам в мельчайших каналах, образованных системой сообщающихся друг с другом пор и трещин; такое движение жидкости и газа называется фильтрацией.

Фильтрационное движение жидкости и газа имеет характерные особенности по сравнению с движением жидкости и газа по трубам. Оно отличается крайне малой скоростью движения, происходит в каналах чрезвычайно малого сечения и при исключительно большой роли сил трения из-за огромной поверхности поровых каналов. Например, поверхность песчинок диаметром в 0,2 мм в 1 м³ песка составляет около 20000 м².

Пористость и просветность пород

Пористость пород — их свойство содержать в себе пространство (поры), не занятое твердым веществом. Часть объема пород, занятая порами, характеризуется коэффициентом пористости (m), который представляет отношение части объема пород, занятого порами (W_п), к общему объему пород (W):

m= (3.1)

Просветность или поверхностная пористость пород — это часть сечения пород, которая свободна для прохода газа или жидкости. Она характеризуется коэффициентом просветности (n), который представляет отношение площади поперечного сечения пор (S_n) к площади породы (S), т. е.

n= (3.2)

Важное значение представляет определение не наименьшего, а среднего значения просветности (n_с) для данного объема пород.

Объем порового пространства пород (W_n) определяется из уравнения

W_n = S_c l=n_c S l, (3.3)

где S_c- средняя величина площади каналов;

l — длина образца пород;

S — общая площадь поперечного сечения образца породы.

Но объем порового пространства определяется также и из уравнения

W_n = mSl, (3.4)

следовательно,

п_с = m (3.5)

и

S_c = mS, (3.6)

т.е. среднее значение просветности (п_с) равно значению пористости (т).

Поры горных пород различают по величине и делят на группы: сверхкапиллярные, капиллярные или обыкновенные и суб- капиллярные.

Сверхкапиллярные поровые каналы имеют сечение 0,2 мм², что соответствует диаметру канала более 0,5 мм.

При таком сечении порового канала капиллярные силы не играют большой роли.

Капиллярные поровые каналы пород имеют диаметр 0,5-0,0002мм. При таком диаметре поровых каналов капиллярные силы (прилипание, сцепление, и т. п.) препятствуют движению жидкости под действием сил тяжести. И для обеспечения движения жидкости по капиллярным поровым каналам Необходимо прикладывать добавочные силы.

Субкапиллярные поровые каналы пород имеют диаметры менее 0,0002 мм. В каналах такого диаметра силы поверхностного натяжения и др. столь велики, что для обеспечения движения жидкости по субкапиллярным каналам необходимо прибегать к чрезвычайно высоким давлениям. Если порода с субкапиллярными каналами сухая, то вначале она впитывает влагу, которая переходит в связанное с породой состояние, а затем движение жидкости по субкапиллярным каналам прекратится.

Породы с субкапиллярной жидкостью могут рассматриваться как практически негазопроницаемые.

В реальных грунтах размеры частиц и их форма далеко не одинаковы, поэтому их пористость зависит от гранулометрического состава, формы и расположения зерен, литологического состава и от давления.

Закон фильтрации, выраженный через коэфициент проницаемости пород, имеет вид

(3.7)

откуда

(3.8)

Коэффициент проницаемости k имеет размерность площади и зависит от свойств пористой среды. Решая уравнения (3.7) и (3.8) относительно k, получим

(3.9)

Но не всегда фильтрация жидкости подчиняется линейному закону, выраженному уравнением (3.7), выведенным применительно к ламинарному гидравлическому режиму.

Наблюдается некоторая критическая скорость фильтрации, (FGH ), при превышении которой уравнение (3.7) непригодно, так как при этой скорости наблюдается переход гидравлического режима движения жидкости из ламинарной в турбулентную область. Каждой из этих областей соответствуют определенное значение числа Рейнольдса (Re), которое опредеделяет гидродинамический характер движения газа или жидкости.

Значение Re при фильтрации жидкости определяется соответственно из уравнения

Re = , (3.10)

где —кинематическая вязкость.

Значения Re, при которых появляются отклонения от линейного закона фильтрации, называются критическими значениями (Re_кp). Для природных грунтов Re_кр равно от 4 до 12, а для сцементированных песков Re_Kp — около единицы.

При движении жидкости по трубам Re_Kp в зависимости от шероховатости труб и других факторов колеблется от 2300 до 350.

Поэтому следует считать, что при фильтрации жидкости и газов нарушение линейного закона фильтрации еще не означает перехода от ламинарного к турбулентному режиму, т. е. всякий фильтрационный поток, для которого справедлив линейный закон фильтрации, есть поток ламинарный, но не всякий ламинарный поток подчиняется этому закону.

Относительной проницаемостью пород считают отношение фазовой проницаемости к абсолютной.

За единицу проницаемости принят дарси, который равен проницаемости такой породы при проходе, через образец которой площадью в 1 см² и длиной в 1 см при перепаде давления в 1 ат расход жидкости вязкостью в 1 сантипуаз, составлят 1 см³/сек.

Проницаемость имеет размерность площади. Один дарси прибблизительно равен одному квадратному микрону, точнее 1,02*10^-6 мм². Более мелкими единицами проницаемости являются: децидарси — 0,1 дарси, сантидарси — 0,01 дарси и миллидарси — 0,001 дарси.

В практике добычи нефти и природного газа считают хорошо проницаемыми те породы, коэффициент проницаемости которых определяется единицами дарси или децидарси.

Коэффициент проницаемости (k) может определяться лабораторно по результатам испытания образцов пород и по данным работы скважин в природных условиях залегания пласта.

Размерность k зависит от системы единиц, в которой выражены определяющие его величины.

В табл. 3.1 приведены значения коэффициентов проницаемости для некоторых угольных пластов (k_у) и вмещающих пород (k_п), а такжеk_у/k_п

Таблица 3.1

Значения коэффициентов проницаемости для некоторых угольных пластов (k_у) и вмещающих пород (k_п)

Наименование пласта	kу, дарси	kп, дарси	kу/kп
Пласт К8 Лисичанская станция Подземгаз	1,7	0,09	19
Буроугольный пласт Подмосковная станция Подземгаз	2,0	2,0	1
Буроугольный пласт Шатская станция Подземгаз	1,8	0,32	6
Пласт VIII Внутренний Южно-Двинская станция Подземгаз	0,95	0,0475	50

Коэффициент проницаемости угольных пластов с глубиной снижается. На определенных глубинах, как это показано по данным Лисичанской станции Подземгаз, он составляет:

угольный пласт К₈ на глубине 60 м 1,8 дарси

угольный пласт K₈ на глубине 150 м 1,12 дарси

угольный пласт l₇ на глубине 60 м 0,34 дарси

угольный пласт l₇ на глубине 75 м 0,27 дарси

угольный пласт l₆ на глубине 150 м 1,5*10^-3 дарси

угольный пласт l₅, на глубине 200 м 1,1*10^-3 дарси.