Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана

В [1] приведены основные характеристики газомоторной установки (ГМУ) для производства электроэнергии, работающей на остаточном метане, извлекаемом с помощью специально пробуренной скважины из выработанного пространства закрытой шахты «Кольчугинская» в г. Лениннске-Кузнецком Кемеровской области. Отметим, что это первая в России установка такого рода. В процессе пусконаладочных работ и последующей эксплуатации ГМУ стало ясно, что на стабильность ее работы в существенной мере влияет неравномерность поступление метана из скважины как по концентрации, так и по дебиту. Такие явления ранее были известны и при извлечении метана из дегазационных скважин.

Известны обширные исследования ВостНИИ, проведенные в 1987 — 1990 гг. на всех дегазационных скважинах шахт Кузбасса (была проанализирована работа 52 дегазационных скважин на протяжении трех лет), где установлено, что дебит и концентрация метана меняются во времени спонтанно и практически не поддаются описаниям какими — либо известными закономерностями. Для примера на рис. 1 приведены результата измерения дебита и концентрации метана из дегазационной скважины передвижной установки (ПДУ) № 2 на шахте «Октябрьская», а на рис. 2 – из скважины на закрытой шахте «Кольчугинская» при работе ГМУ.

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 1
Рис. 1 - Изменения дебита (1) и концентрации метана (2) при работе дегазационной скважины на шахте «Октябрьская» ОАО «Ленинскуголь»
Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 2
Рис. 2 - Изменение концентрации метана из скважины на закрытой шахте «Кольчугинская» ОАО «Ленинскуголь» при работе ГМУ

Эти же неравномерности в процессе работы ГМУ были отмечены и при опытной эксплуатации газомоторного комплекса G3516 «Caterpiller» на шахте «Чертинская» [2]. Здесь было установлено, что в процессе ее работы в течение времени ТР концентрация метана, измеряемая инфракрасным газоанализатором, снижалась с первоначального значения К0 до критического Кк = 30%, при которой защита отключала газовый двигатель. Через некоторое время Тв концентрация поднималась до некоторого значения Кв, при которой ГМУ вновь включалась в работу.

Наработку Тр ГМУ на критическую концентрацию KК, как случайную величину, можно охарактеризовать некоторой плотностью распределения ƒ(T) со средним значением Тр.ср. В условиях шахты «Чертинская» эта наработка составляла 16 ч, а на шахте «Кольчугинская» — 8 ч. Разница объясняется тем, что на шахте «Чертинская» дегазационные скважины были пробурены в выработанное пространство одновременно с ведением горных работ не более 5 — 7 лет назад, а на закрытой шахте «Кольчугинская» — в пространство, где выемка угля велась 20 — 23 года назад и в зоне ее влияния произошло уплотнение обрушенных горных пород, то есть ухудшилась газопроницаемость горного массива.

Процесс изменения концентрации метана можно разделить на локальный и глобальный. Оба процесса являются нисходящими, поскольку со временем снижается общий объем метана, заключенного в выработанном пространстве. При этом нельзя не учитывать возможность поступление метана из подработанных и надработанных пропластков и из оставленных целиков угля уже после прекращения горных работ и закрытия шахты.

Если допустить, что выделение метана из этих источников находится в некотором соотношении с его потреблением работающей ГМУ, а процессы снижения концентрации и ее восстановления подчиняются экспоненциальному закону, как одному из общих законов природы, то процесс можно представить в виде, приведенном на рис. 3. Здесь показано, что первоначальная концентрация K0 через промежуток времени Tpj работы ГМУ снизится и станет равной:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 3

После включения ГМУ она будет остановлена через некоторый промежуток времени Tpj (точка К1) из-за низкой концентрации метана.

За время ее простоя в течение времени ТП1 концентрация газа за счет поступления его из отдаленных коллекторов увеличится по показательному закону:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 4

где λ и μ — параметры.

Возрастающий показательный закон в данном случае отражает процессы диффузии, по которым метан перемещается из областей с большой его концентраций в область с низкой концентрацией вокруг скважины.

Длительности периодов работы ГМУ ТPi, и простоя ТПi являются случайными величинами, которые полностью определяются законами распределения.

Закон распределения длительностей работы ГМУ удобно представить в виде:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 5

при простое:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 6

Основаниями для представления приведенных выше законов распределения в виде экспоненциальных зависимостей являются опытные данные, полученные при эксплуатации ГМУ на шахте «Чертинская» и на закрытой шахте «Кольчугинская».

Глобальное достижение значения концентрации в точке К2 произойдет через 2К циклов снижения и повышения концентрации метана. Значение Ккр в точке К3 означает, что концентрация метана в коллекторе снизилась ниже 30 % и пуск газового двигателя в работу невозможен, то есть скважина полностью отдала свой газовый ресурс.

Время течения процесса снижения концентрации:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 7

значение параметра вычисляется по формуле:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 8

Периоды работы и простоя ГМУ являются независимыми случайными величинами. Математическое ожидание случайной величины Xi=exp(-λТPi-1), i=1,2,..,k, где величина TPi-1 полностью определяется плотностью распределения ƒ(Tп)=βехр(-βTPi-1) и вычисляется по формуле:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 9

Опуская промежуточные преобразования, приведем формулы для определения математического ожидания времени наработки скважины на критическую концентрацию (математическое ожидание срока службы скважины)

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 10

где

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 11

параметр закона распределения времени работы ГМУ;

β — параметр закона распределения продолжительности простоев.

В связи с изменчивым характером поступления метана в скважину можно дать оценки для времени наработки скважины на критическую концентрацию метана. Левая оценка для Тл находится с помощью дополнительного условия, которое состоит в том, что траектория изменение концентрации не имеет изломов. Это условие представим в виде Ко ехр(-λТл)=Ккр откуда левая оценка срока службы скважины:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 12

Левая оценка представляет, по сути, среднее время работы ГМУ на первое снижение концентрации ниже критического уровня (ККр=30%).

Оценку длительности работы (срок службы) скважины можно получить из предположения о том, что огибающая семейства траекторий изменения параметра К2(Т) (пунктирная прямая К2(Т) на рис. 3) не имеет изломов и проходит через начальную точку этого семейства и второй излом траектории.

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 13
Рис. 3 - Процессы локального и глобального изменения концентрации метана, поступающего в скважину из выработанного пространства

Уравнение огибающей можно представить в виде:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 14

При К=Ко и Т=О

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 15

Из (2) можно получить соотношения, содержащие случайные величины Тп и Тр:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 16

Переход к математическим ожиданиям, вытекающим из (5), и дальнейшие преобразования позволяют получить:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 17

где

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 18
Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 19
Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 20

β — параметр распределения времени простоя;

ỿ — параметр закона распределения времени работы ГМУ;

λ и μ — параметры локальных законов снижения и повышения концентраций.

Поскольку уравнение огибающей известно, то оценка длительности жизни скважины (срока ее службы) можно получить из соотношения:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 21

откуда получаем:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 22

Формулам (2), (3) и (6) можно придать унифицированный вид:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 23

где В=ln (Кокр) — величина, зависящая от свойств газопроницаемости выработанного пространства, служащего коллектором метана в закрытой шахте.

Таким образом, методы математической статистики позволяют по результатам наработки ГМУ на критическую концентрацию ККР определить срок службы скважины и на этой основе рассчитать их число для обеспечения беспрерывной работы газового двигателя путем его последовательного переключения с одной скважины на другую.

Расчеты по формулам (7) показывают:

  1. Левая оценка длительности локальной газоотдачи скважины при Кокр=1.35 и λ=0,1 не превышает 6 ч, что подтверждено на основе опыта эксплуатации ГМУ на закрытой шахте «Кольчугинская»;
  2. Правая оценка (предельный срок службы скважины до истощения запасов метана) составляет не более 1075 ч наработки, то есть работы ГМУ по извлечению метана.

Примем, что скорость снижения концентрации метана V, (%)/ч при работе ГМУ и скорость восстановления после отключения равны между собой, следовательно:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 24

где Ко — начальная концентрация СН4;

Ккр — критическая концентрация (Ккр=30%);

tp — время, в течение которого концентрация снизится с Ко до Ккр.

Поскольку оценка срока службы скважины слева Тл известна, то число скважин, обеспечивающих беспрерывную работу ГМУ, будет:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 25

Это означает, что беспрерывную работу ГМУ на остаточном метане могут обеспечить 4 скважины, на которые необходимо последовательно переключать ГМУ по мере снижения концентрации в работающей скважине.

Срок службы скважины ТКГ в качестве источника метана от начала эксплуатации до глобального снижения его концентрации можно также определить из соотношения:

Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана 26

где В = ln(Кок);

С — постоянная газоотдачи скважины, равная отношению времени в течение которого концентрация метана возрастет от критического Кк=30% вдвое, то есть до 60 %, ко времени Тр.

Опытная эксплуатация газоотсасывающей ГМУ на закрытой шахте «Кольчугинская» подтвердила этот вывод. Концентрации снижалась каждый раз после включения ГМУ до критического значения (из — за конструктивных особенностей газового двигателя она составляла 40 %), а затем после простоя в течение некоторого времени повышалась до 52 — 54 %, при которой ГМУ вновь включали в работу. Вместе с тем происходило глобальное (общее) снижение концентрации метана за счет сокращения его запасов в выработанном пространстве.

На основе этих выявленных закономерностей возможно сделать три вывода:

  1. Для обеспечения бесперебойной работы ГМУ на остаточном метане закрытой шахты необходимо предусматривать бурение нескольких скважин, расстояния между которыми должны быть приняты с учетом газосодержания выработанного пространства, как коллектора газа;
  2. Продолжительность эксплуатации скважины как источника метана в существенной мере определяется не только общими его запасами в выработанном пространстве, но и зависит от газопроницаемости горных пород, которая, в свою очередь, зависит от времени, прошедшего после их обрушения;
  3. Газоотдача скважин меняется во времени по дебиту и концентрации метана.

Закономерности этих процессов пока не изучены и неизвестна их природа этих изменений.

Список литературы

  1. Разгильдеев Г.И., Серов В.И., Шкабара Н.С. Газоотсасывающая и электрогенерирующая установка на закрытой шахте. — Энергосбережение и энергоэффективность экономики Кузбасса. — Приложение к журналу «ТЭК и ресурсы Кузбасса».- 2004, № 5.- с.39 — 43.
  2. С. С. Золотых, Н. И. Ларин, А. Н. Жаров, Г. И. Разгильдеев «О рациональных параметрах газомоторных установок, работающих на шахтном метане». — В кн.: «Труды международной научно- практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности». — Кемерово, 1999. — с. 58.

Источник: Метод оценки продолжительности эксплуатации скважины для энергетического использования шахтного метана / Г.И. Разгильдеев, Г.А. Казунина // Вестник КузГТУ. — 2005. — №4.2. — C. 23-26.

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org