Оценка вклада фазовых составляющих метана в газоносность угольных пластов

Abstract

Предмет исследований – фазовые состояния метана в угольных пластах. Цель – оценить вклад фазовых составляющих метана в газоносность угольных пластов. Метод исследований – аналитический с использованием основных положений термодинамики. Предложены расчетные формулы и выполнена оценка максимально возможных объемов метана, которые могут находиться в угольном пласте, не вскрытом горными работами. Расчеты выполнены для четырех фазовых состояний метана, принятых в классических представлениях о метаноносности пластов: свободного, адсорбированного, абсорбированного в виде твердого углеметанового раствора и гидратного. Получены значения концентраций молекул метана в твердом растворе и свободном состоянии, а также уравнение для оценки плотности адсорбированного метана. Определено парциальное давление молекул метана в твердом растворе. Показано, что количество метана в твердом растворе значительно меньше, чем в свободном и адсорбированном состояниях. Содержание гидратной компоненты в реальных условиях не превышает 2-3 % от общего объема метана. По результатам сравнения расчетных значений с данными измерений при газодинамических явлениях, сделан вывод, что классические представления лишь частично объясняют аномальные метанопроявления, а причину следует искать на атомарно-молекулярном уровне организации угольного вещества.

Предмет досліджень – фазовий стан метану у вугільних пластах. Мета – оцінити внесок фазових складових метану в газоносність вугільних пластів. Метод досліджень – аналітичний з використанням основних положень термодинаміки. Запропоновано розрахункові формули і виконана оцінка максимально можливих обсягів метану, які можуть перебувати у вугільному пласті, що не розкритий гірничими роботами. Розрахунки виконано для чотирьох фазових станів метану, прийнятих в класичних уявленнях про метаноносність пластів: вільного, адсорбованого, абсорбованого у вигляді твердого вуглеметанового розчину і гідратного. Отримано значення концентрацій молекул метану в твердому розчині і вільному стані, а також рівняння для оцінки щільності адсорбованого метану. Визначено парціальний тиск молекул метану в твердому розчині. Показано, що кількість метану в твердому розчині значно менше, ніж у вільному і адсорбованому станах. Вміст гідратної компоненти в реальних умовах не перевищує 2-3% від загального обсягу метану. За результатами порівняння розрахункових значень з даними вимірювань при газодинамічних явищах, зроблено висновок, що класичні уявлення лише частково пояснюють аномальні метанопрояви, а причину слід шукати на атомарному-молекулярному рівні організації вугільної речовини.

Subject of the research: phase states of methane in the coal strata. Objective of the research: to assess contribution of methane phase state to the gas content in the coal strata. Method of the research: analytical, with using main principles of thermodynamics. Calculation formulas are proposed, and maximally possible volumes of methane which can be in a coal stratum not disturbed by mining operations are evaluated. Calculations were made for four methane phase states accepted in classical concepts of methane content in a stratum: free; adsorbed; absorbed in the form of solid coal-methane solution; and hydrated. Values are specified for methane-molecule concentration in the solid solution and free state, and an equation is presented for evaluating density of adsorbed methane. Partial pressures of methane molecules in the solid solution are determined. It is shown that content of methane in the solid solution is considerably less than in the free and adsorbed states. Content of hydrated components in the real conditions does not exceed 2-3% of total volume of methane. By comparing the calculated values with measurements at gas-dynamic phenomena, it is concluded that classical representation only partly explain anomalous occurrences of methane, and the cause should be sought at the atomic and molecular level of coal.