Автоматизация управления процессами воздействия на трещиновато-пористые насыщенные массивы

Актуальность задачи. При разработке месторождений полезных ископаемых, в частности, газоносных пластов, важное значение имеет задача повышения интенсивности извлечения полезного продукта. Одним из основных способов решения задачи является целенаправленное изменение свойств массива путем внешнего воздействия, в частности, пневмогидродинамической обработки. Качественная реализация воздействия обеспечивается с помощью автоматического управления его параметрами, при этом состояние процесса представляется с помощью математической модели. В этой связи тема работы является актуальной.

Цель работы – обоснование структуры математической модели и алгоритма управления процессом пневматического воздействия на газонасыщенный породный массив.

Основное содержание работы. Пневмогидродинамическая обработка подземных насыщенных массивов осуществляется путем высоконапорного нагнетания аэрированной жидкости через скважины, пробуренные с поверхности на продуктивный горизонт для изменения его состояния с целью интенсификации выхода полезного продукта. Кроме того, гидродинамическое воздействие на угольный пласт осуществляется с целью его гидрорасчленения как метод предварительной дегазации, вызывающий активизацию выделения метана [1, 2].

Рассматриваемое воздействие является сложным многофакторным процессом, и для его рациональной организации необходимо применение средств автоматического управления.

Одной из задач управления является разработка алгоритма управления на этапе сброса давления, т.к. при неконтролируемом сбросе происходит выброс значительных масс загрязненных водных растворов, находящихся под большим давлением, на большие расстояния вокруг устья скважины, что оказывает отрицательное влияние на окружающую среду.

Для теоретического описания процесса рассмотрим условное схематическое представление технологии воздействия (рис. 1).

Для решения задачи используется линеаризованная модель фильтрации жидкости в трещиновато-пористой среде [3]:

PP

K ( x )

tx   x

Предлагается решить задачу для единичных величин всех характеристик.

Давление жидкости к началу процедуры сброса:

P с = P max .

Размерности входящих в уравнение величин должны быть, разумеется, согласованы. В данном случае:

давление [ p ] = 1 ат = 1 кг/см²; время [ t ] = 1 сек; проницаемость [ k ] = 1мд=10^-11 см²; пространственная координата [ x ]= 1 м = 100 см;

10 ⁷ кГс

$ = 1спз = ---; П Э = 1%;

вязкость            ^{g см}

Вводим безразмерные величины, причем нормируем так, чтобы все они были не более 1 (таким путем мы перейдем к «единичным» величинам).

*     р * k*           * n* р         ;k                    ;n       Э ;x, рс       ko        o       nЭО

* t

*

t           ;to to

L _on_ЭО * qk

;q          ;q.

o ko pc        qoo

Время фильтрации определяется из следующих соображений. Процесс должен быть прекращен, когда жидкость достигает устья скважины и появится возможность её выхода на поверхность. Приняв L, можно рассчитать нормирующую величину по времени to: nL o ЭО o "  koPc*

Граница фильтрующей жидкости достигает точки x =1 ( х = L ) за 50 шагов по времени. Шаг выбран:

t*     110 по пространству Δх =0,1; по времени

Учитывая размерности величин, получаем

10     o n ЭО L

,

⁴³²    k o P c час

Используя приведенные теоретические результаты, будем рассматривать методику приближенного расчета для определения времени или процедуры сброса давления.

Примем следующие предположения, упрощающие задачу.

Будем считать, что коэффициенты постоянны:

ц = const = ц ₀= 1 спз; n _э = const = n _эо= 5,0 %; k = const = к _о.

Значение к оказывает основное влияние на время Т достижения фронтом жидкости устья скважины.

Для его определения в конкретных условиях можно решить обратную задачу - по фактическим данным о времени сброса определить среднее значение к :

10     o n ЭО L

432 TP

.

Примем ориентировочно к = 150^10 5 мд, Р _с = 50 ат, L = 1000 м, тогда ориентировочное время движения фронта жидкости до устья:

103     106 50

0,15 час 10 мин .

T = 432 150-10 5 -50

За это время давление достигнет значения Р =50_е^{-0,15 5} , ат; приняв 5 =1, получим:

Р 1 ~ 42 ат;

тогда

T 1 = 432

106 50

150 105 42

0,18 час  11 мин .

Аналогично Р 2 = 42 е ^-0,18 ≈ 32 ат;

T 2 = 432

106 50

150 105 32

0,25 час  15 мин .

T 5 = 432

106 50

150 105 9

0,75 час  45 мин .

Время сброса должно быть рассчитано так, чтобы в любой момент достижения фронтом жидкости устья скважины давление было равным 0 по всей длине отрезка OL .

Управление сбросом давления осуществляется таким образом, чтобы столб жидкости не опускался ниже продуктивного горизонта.

Сброс давления во времени должен производиться либо ступенчато, либо с высоким показателем пологого спада экспоненты (рис. 2).

Периоды ступенчатого сброса рассчитываются в соответствии с выведенными формулами.

a)

и 10 20 30 40 50 60 70 SO 90 100 НО 120 130 mtn

Рис. 2. График сброса давления:

а) изменение давления ^{P ( t )} ; б) 1 – заслонка открыта, 0 – закрыта

Выводы. В результате технологической реализации процесса пневмогидродинамического воздействия на газонасыщенный трещиновато-пористый массив осуществляется принудительное внедрение воздуха под высоким давлением в природные пустоты, что вызывает структурные изменения массива, сопровождающиеся расширением пор и трещин. После сброса давления активизируется метановыделение из массива в скважину.

На основании теоретических представлений получены практические рекомендации по выбору технологических параметров и разработан алгоритм управления процессом пневмогидродинамического воздействия.