СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОГНЕВОГО ЗАБОЯ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ГОРЮЧИХ

Предлагаемый способ определения положения огневого забоя при подземной газификации угля основан на неодинаковой проницаемости угольных или т.п. пластов и боковых пород. Благодаря этой неодинаковой проницаемости различные газы проникают через них с неодинаковой скоростью, вследствие чего процентное содержание отдельных компонентов в смеси диффундирующих газов получается различным, в заивисмости от того, насколько далеко находится очаг горения от места отбора газов. На основании этого, согласно изобретению, о глубине огневого забоя судят по составу газа, диффундирующего через угольный пласт или боковые породы, или выделяющегося из последних в результате нагрева при приближении очага горения. При этом пробы газа отбираются через скважины, пробуренные с поверхности, например, до пересечения с газифицируемым пластом, или параллельно последнему.

Данные опытных работ в области подземной газификации угля и нефти, явления, наблюдаемые при подземных пожарах, а также результаты специальных исследований указывают на значительную проницаемость для газов как самих угольных пластов, так и вмещающей их толщи.

Миграция газа в условиях естественного режима пласта, а также при наличии процесса подземной газификации может иметь место в виде движения газа по трещинам и плоскостям нарушения/эффузия/, а также путем проникновения газа через поры и капиллярные отверстия внутри вещества породы/диффузия/. Сильная трещиноватость пород, вмещающих угольный пласт, особенно когда ею затронуты породы кровли, создает серьезные трудности для всего процесса подземной газификации, вследствие чего угольные залежи, обладающие указанным дефектом, не могут рассматриваться в качестве нормальных объектов для подземной газификации.

Поэтому последняя целесобразна преимущественно в пластах нормальной проницаемости для газов, для каковых пластов и предназначается предлагаемый способ.

Исследования по вопросам газопроницаемости горных пород показали, что угли обладают значительно большей проницаемостью по сравнению с породами кровли и почвы этих пластов, причем наиболее легкое проникновение газов наблюдается по плоскости напластования. Кроме того, оказалось, что угли, а также сцементированные породы, обладают большей газопроницаемостью в направлении простирания пластов и меньшей в поперечном направлении.

Для водорода в среднем скорость проникновения газа через горные породы в два раза больше, чем для остальных компонентов газовой смеси /азота, кислорода, окиси углерода и углекислого газа/.

Из указанных свойств наибольшее значение имеет повышенная газпроницаемость углей по сравнению с прилегающими к ним породами. При этом для сцементированных пород почвы и кровли угольных пластов величины газопроницаемости во много раз уступают таковым для углей.

Так например, для прохождения 1000 см³ CO₂ или СО через образец угля длиною в 6 см, диаметром 6,5 см при перепаде давления 0,5 атм требуется около 0,60 минут, для водорода при тех же условиях - вдвое меньше - 0,27 мин. Для прохождения же 500 см³ газа /CO₂/ через образец песчаника параллельно его слоистости, тех же размеров, при перепаде давления в две атмосферы требуется 4,6 мин, для прохождения 1000 см³ CO₂ через образец песчанистого сланца при перепаде давления в 4 атм требуется 95 минут, и т.д. Поэтому, очевидно, основная часть диффундирующего, газа, образующегося в процессе газификации, будет двигаться к дневной поверхности по угольному пласту и вдоль границ напластования с ним пород кровли и почвы.

Частичная утечка газа будет иметь место через боковые породы, но этот путь в условиях средней трещиноватости пород не может иметь решающего значения.

Помимо явлений рассеяния газа через боковые породы, диффузия газов по угольному пласту замедляется также процессом адсорбции.

Обратное действие на скорость диффузии оказывают температурные факторы, что вызывает увеличение проницаемости пород в связи с их нагреванием и деформацией, причем высокая температура влияет на самую скорость диффузии газа, увеличивая таковую пропорционально квадрату абсолютной температуры.

Ввиду всего этого, отложения, расположенные над выходами угольного пласта за известный промежуток времени, будут обогащаться продуктами подземной газификации раньше, чем остальные участки поверхности, причем в первую очередь должны будут появиться следы водорода, а затем СО и CO₂. Процентное содержание указанных компонентов у поверхности по сравнению с их концентрацией в отходящих газах будет функцией расстояния до огневого забоя.

Однако для целей контроля за продвижением забоя, наблюдения за диффундирующими газами могут быть использованы только в том случае, если скорость диффузии по сравнению с естественным ходом процесса будет несколько увеличена, что соответственно уменьшит влияние всякого рода посторонних факторов. Практически это мероприятие может быть осуществлено вдояким путем, в зависимости от отсутствия или наличия наносов, покрывающих выход угольной свиты.

На фиг. 1 показана схема оборудования для определения глубины огневого забоя при отсутствии наносов или незначительной их мощности, на фиг. 2 - то же, при наличии значительных наносов, на фиг. 3 - схема оборудования для проведения газометрических наблюдений через боковые породы, и на фиг. 4 - применение способа на месторождения с горизонтальным залеганием угольных пластов.

При осуществлении работ согласно схеме по фиг. 1, при отсутствии наносов или незначительной их мощности на газифицируемом участке, вдоль выхода угольного пласта на дневную поверхность прорывается канава, ширина которой должна несколько превышать мощность угольного пласта с тем, чтобы ею вскрывалась прилегающая к угольному пласту часть пород.

Опыты по закачке газа в нефтяной пласт показывают, что радиальное распространение газа в породах продолжается до тех пор, пока газ не найдет пути наименьшего сопротивления к одной из ближайших скважин, пробуренных на тот же пласт. После этого радиальное движение газа сменяется линейным. По аналогии с указанным явлением можно вызвать диффузию газов в направлении от огневого забоя к головным частям угольного пласта.

Глубина канавы определяется мощностью наносов, выветренностью головных частей угольного пласта, а также состоянием вмещающих пород. На дне канавы по пласту через каждые 5 м расстояния пробуриваются наклонные скважины I глубиной 15-20 м, всего около 10 скважин.

Конструкция скважины должна иметь следующие особенности. До глубины 12 или 17 м, в зависимости от геологических условий, скважина пробуривается диаметром в 100 мм, нижняя часть скважины до глубины 15 м или соответственно 20 м пробуривается диаметром 75 мм. На забое скважины с помощью взрывного патрона создается небольшое расширение/каверна/ 2 диаметром около 0,5 м/ при мощности пласта 1 м/. Затем на уступе скважины задавливается обсадный стакан 3, имеющий форму цилиндра с приваренной к нему трубой 4 диаметром 75 мм. После этого верхняя часть скважины и канава вдоль пласта заливаются цементом 5.

Все скважины через общий коллектор сообщаются с вакуум-насосом 6. Кроме того, у каждой скважины оборудуются отводы 7 для отбора проб газа и для периодического присоединения скважин и газоанализаторам 8.

Для тех участков, где угольная свита перекрыта наносами значительной мощности /фиг. 2/, газоотборные скважины 9 должны пробуриваться вертикально до пересечения ими угольного пласта 10. Место бурения газоотборных скважин может быть снесено на некоторое расстояние от головной части пласта в сторону его падения, что уменьшает путь газов от огневого забоя до скважины. Количество газоотборных скважин может быть сокращено до 2-3, в случае соответственного увеличения глубины скважины. Необходимая герметичность обеспечивается обсадкой и цементированием. В остальном устройство вертикальных скважин аналогично тому, как на фиг. 1.

Увеличение интенсивности горения на отдельных участках пласта, а также приближение забоя к дневной поверхности соответствующим образом влияют на скорость проникновения газа через пласт и на объем газа. При установившемся потоке диффузии эти явления будут фиксироваться газоотборными скважинами на поверхности общим увеличением откачиваемого газа и повышением процентного содержания отдельных компонентов.

Анализ диффундирующего газа производится с помощью газоанализаторов автоматического типа, а также на обычных приборах для технического анализа. Объемные изменения газа, откачиваемого из коллектора, фиксируются газовыми часами. Путем раздельного определения дебита газа для каждой скважины может быть получена кривая количественного распределения газа вдоль газифицируемого пласта.

В качестве основного показателя способа, позволяющего определить глубину расположения забоя, следует использовать сравнительный анализ газов на содержание в них Н₂ и СО.

Различные диффузионные свойства Н₂ и СО позволяют определять длину пути диффузии этих газов, поскольку соотношение в концентрациях Н₂ и СО в газоотводящей и газоотборных скважинах будет функцией искомой величины.

Таким образом, в качестве показателей для определения глубины забоя могут быть использованы общая величина дебита газов, поступающих в газоотборные скважины и изменения между величинами концентрации для данного газа/Н₂ или СО/ в газоотборных или газоотводящих скважинах.

Пробы газа могут отбираться, как указано выше, через боковые породы. Этот способ отличается от описанного выше необходимостью размещения части аппаратуры в глубоких скважинах, специально пробуренных для этой цели. Такой способ преследует задачу непрерывного извлечения газовых проб из пород в непосредственной близости от огневого забоя.

В породах кровли, прилегающих к огневому забою, еще до их обрушения начинается процесс газообразования, как следствие термического воздействия.

Первым является при нагревании углекислый газ/СO₂/. При возрастании температуры начинает выделяться окись углерода, количество которой увеличивается с уменьшением выделения СO₂. Выделение водорода и метана приурочивается к наиболее высоким температурам. Кроме того, часть реакций образования газа в горных породах идет в присутствии водяного пара и в зависимости от наличия в породах тех или иных солей.

Газы, выделяемые породами кровли и почвы, и газы генераторного происхождения сменяются в различных соотношениях в процессе их диффузии через породы, вмещающие огневой забой. Теоретически можно предположить следующий порядок прохождения газов через породы кровли в процессе газификации угольного пласта.

В отсутствии непосредственного соприкосновения с огневым забоем породы кровли будет являться средой воздействия на них нагретых генераторных газов, диффундирующих через угольный пласт по его восстанию и простиранию. В этой стадии через породы кровли будут преимущественно диффундировать газы негенераторного происхождения.

С приближением пород кровли к огневому забою и нагреванием пород, начинается выделение газов, возникающих в результате накаливания вещества пород. Благодаря наличию избыточного давления в газоходах, газы, выделяемые породами кровли и почвы, будут диффундировать в сторону от подземного генератора. В зависимости от трещиноватости пород кровли и их мощности, к газам "метаморфического" происхождения в известном объеме будут примешиваться газы генераторного цикла.

После частичного обрушения пород кровли для сохранившейся их части наступает резкое изменение газового режима. Сохранившиеся породы кровли, наряду с термическим воздействием, будут испытывать ослабление внутреннего напряжения, которое увеличит для известного участка кровли его газопроницаемость и, следовательно, облегчит для генераторных газов возможность боковой диффузии.

Таким образом, наблюдение за газовой динамикой пород кровли путем последовательного отбора газовых проб из боковых пород, прилегающих к забою, может обеспечить необходимое наблюдение за ходом подземного процесса.

Для проведения газометрических наблюдений через боковые породы в поверхности газифицируемого участка пробуривается одна или несколько скважин с углом падения, равным среднему углу падения пласта/фиг. 3/. Расстояние от пласта 10 в направлении его падения выбирается с учетом механической прочности пород/ их обрушаемости/ и коэффициента газопроницаемости. Это расстояние может варьировать в пределах 8-12 м. Глубина скважин делается равной глубине первоначального забоя. Коли наблюдения проводятся через одну скважину, то она должна быть пробурена в средней части панели. Обсадка скважины допустима только в ее верхней части.

Для отбора газовых проб в скважину опускается каптирующее приспособление, действующее по принципу пакерных приборов, т.е. позволяющее изолировать определенную часть скважины для откачки из нее жидкости или газа.

Конструкция газокантатора должна предусматривать возможность одновременного обследования двух или трех изолированных один от другого участков скважины при помощи уплотнителей.

Для газометрических исследований в скважинах уплотнитель должен иметь четыре секции, которые позволяют одновременно отбирать пробы из трех частей скважины длиною по 2-3 метра каждая. Общая длина уплотнителя, таким образом, должна составить около 12 метров, считая по одному метру на промежуточные части прибора секциями.

Изоляция отдельных частей скважины достигается наличием резиновых сальников 11, прижимаемых к стенкам скважины силой нагнетаемой в них жидкости. Откачка газа проводится через специальные трубки 12 для каждой из секции с помощью вакуум-насоса. Сравнительный анализ проб газа, отбираемых из отдельных секций, даст возможность наблюдать за движением огневого забоя. Параллельно с обгоранием угольного пласта 10, уплотнитель передвигается вверх по скважине.

Такой способ отбора проб предполагает работу в сухой скважине. В том случае, если скважина обводнена и обследуемый пласт выделяет воду, откачиваемая жидкость пропускается через специальный газоотделительный аппарат. Отбор проб может проводиться также путем десорбции газа из жидкости путем ее нагрева и вакуума.

Если для отбора проб в мокрой скважине используется газоотделительный аппарат, и при этом поступление жидкости недостаточно, то система уплотнителя должна предусмотреть возможность рециркуляции жидкости в пределах исследуемого участка скважины с тем, чтобы по мере выделения газа в скважине, таковой, захватываясь примывной жидкостью, поступал в газоотделительный аппарат.

На месторождениях с горизонтальным залеганием угольных пластов может быть применена система отбора проб из поверхностных скважин глубиной 20-30 м /фиг. 4/, забой которых должен заканчиваться в ближайших песчанистых или иных легко-проницаемых породах.

Метод направленной диффузии через угольный пласт осуществим лишь в том случае, если будет достигнута достаточная герметичность газоходов в пределах всей панели.

При этом условии на угольный пласт 14 с поверхности пробуривается вертикальная скважина 13 в той части угольного пласта, куда направлено движение огневого забоя. Скважина должна быть тщательно загерметизирована.

Откачка газа из скважины и анализ проб производятся способом, изложенным выше.