Моделирование фильтрационного процесса в угольном пласте, вмещающем зону нарушенности, насыщенную сорбированным и свободным метаном

Abstract

Рассмотрено исходное состояние зоны тектонического нарушения в геомеханическом пространстве углепородного массива и определены энергетический потенциал этой зоны и объем запасенного ею метана. Установлена закономерность изменения потенциальной энергии упругой деформации, позволяющая выполнять оценку потенциальной энергии конформеров молекулярной структуры угля, обуславливающих ее деформирование в области опорного давления. Построена модель трещиновато-пористой структуры угля в области нарушенности, состоящая из фрагментов различного масштабного уровня в иерархической структуре угля. Моделирование фильтрационного процесса из угольного пласта основывалось на представлении угольного пласта как структурно-неоднородной системы в виде комбинаций нескольких участков, каждый из которых описывается средними значениями пористости и газовой проницаемости по методике Басниева К.С. Это позволяет для каждой комбинации участков пласта воспользоваться уравнением фильтрации Желтова Ю.П. Задачу о десорбции метана из ядра зоны нарушенности угольного пласта, свели к задаче о суммарной диффузии метана из угольных фрагментов, разделенных нарушенной структурой угля. Для единичного источника десорбция описывается уравнением диффузии в сферических координатах. При установлении энергии активации и коэффициента диффузии использовалась модель Пейса-Дейтинера. Это позволило в задаче учесть такие основные параметры: константы, определяющие деформацию нарушенной структуры угля; параметры потенциала Ленарда-Джонса, характеризующие энергетическую связь между структурой угля и молекулами метана; диаметр молекулы метана и длину ее свободного диффузионного скачка; температуру угольного пласта.

Розглянуто початковий стан зони тектонічного порушення в геомеханічному просторі вуглепородного масиву і визначені енергетичний потенціал цієї зони і обсяг запасеного нею метану. Встановлено закономірність зміни потенційної енергії пружної деформації, що дозволяє виконувати оцінку потенційної енергії конформерів молекулярної структури вугілля, які обумовлюють її деформування в області опорного тиску. Побудована модель тріщинувато-пористої структури вугілля в області порушеності, що складається з фрагментів різного масштабного рівня в ієрархічній структурі вугілля. Моделювання фільтраційного процесу з вугільного пласта ґрунтувалось на уявленні вугільного пласта як структурно-неоднорідної системи у вигляді комбінацій декількох ділянок, кожна з яких описується середніми значеннями пористості і газової проникності за методикою Баснієва К.С. Це дозволяє для кожної комбінації ділянок пласта скористатися рівнянням фільтрації Желтова Ю.П. Завдання про десорбції метану з ядра зони порушеності вугільного пласта, звели до задачі про сумарну дифузії метану з вугільних фрагментів, розділених порушеною структурою вугілля. Для одиничного джерела десорбція описується рівнянням дифузії в сферичних координатах. При встановленні енергії активації і коефіцієнта дифузії використовувалася модель Пейса-Дейтінера. Це дозволило в завданні врахувати такі основні параметри: константи, що визначають деформацію порушеної структури вугілля; параметри потенціалу ЛенардаДжонса, що характеризують енергетичний зв'язок між структурою вугілля і молекулами метану; діаметр молекули метану і довжину її вільного дифузійного стрибка; температуру вугільного пласта.

Initial state of zone with tectonic displacement in geomechanical space of the coalrock mass was considered, and energetic potential of this area and volume of stored methane were specified. The specified regularities of potential strain energy changing help evaluating potential energy conformers of the molecular structure of coal, which cause the structure deformation in the area with bearing pressure. The article represents a model of the coal fractured-and-porous structure in the displaced area, which consists of fragments of different scale level in the hierarchical structure of the coal. Modeling of filtering process in the coal seam is based on a concept that a coal seam is a structurally heterogeneous system represented in the form of combinations of several sections, each of which is described by average values of porosity and gas permeability with the help of the K.S. Basniev method. Such approach makes possible to apply the Y.P. Zheltov filtering equation to any combination of the coal sections. A problem of methane desorption from the core of displaced zone in the coal seam was reduced to the problem of total methane diffusion from the coal fragments, which were separated by the coal broken structure. With a single source, desorption is described by diffusion equation in spherical coordinates. In order to specify the activation energy and diffusion coefficient, the Pace-Deytiner model was used with taking into account the following key parameters: constants, which described deformation of the coal broken structure; the Lennard-Jones potential, which characterized energetic interdependence between the coal structure and methane molecules; diameter of methane molecule and length of its free diffusion jump; and temperature of the coal seam.