Технология плазменно-импульсного воздействия для заблаговременной дегазации угольных пластов
Плазменно-импульсное воздействие, или ПИВ - это метод стимуляции, используемый для повышения вторичной проницаемости целевого пласта путем создания новых микротрещин и раскрытия существующих. Спускаемый на стандартном геофизическом кабеле, аппарат Plasma Pulse Streamer выдает повторяющиеся импульсы плазмы в целевую зону пласта.
Вертикальный инструмент ПИВ: Символ инновации
Основные характеристики
Генерирует нелинейные контролируемые и направленные вибрации/импульсы.
Упругие колебания генерируют направленные волны.
Упругие колебания сохраняются после обработки.
Продолжительность операции < 24 часов.
Как это работает?
- Генератор, установленный в целевой зоне, создает плотную плазму. Импульсы давления раскрывают существующие и создают новые микротрещины, что повышает проницаемость пласта.
- Генератор способен генерировать до 2000 импульсов за один проход, оказывая значительное влияние на механическую целостность зоны пласта, создавая микротрещины.
- Электроды, помещенные в прибор, ионизируют проводник, который действует как источник плазмы, создавая мощный импульс.
- Характеристики импульсов можно оптимизировать в соответствии с требованиями, для максимизации воздействия на пласт.
Заблаговременная дегазация угольных пластов
Угольные залежи хорошо известны своей способностью адсорбировать и улавливать метан. Такой метан называется метаном угольных пластов. Метан образуется в процессе углефикации (превращение растительного материала в уголь).
Метан может вызывать сложности двух видов:
- Угроза для шахтеров, занятых в добыче угля - Горнодобывающая промышленность.
- Сложность в извлечении этого метана для коммерческого производства - Добыча природного газа.
Как применяется технология ПИВ?
Электроды замкнуты проводником
Формируется плазма
Ударная волна генерируется и передается через угольный пласт
Ударная волна приводит к объемным упругим колебаниям, и раствор выносится в ствол скважины.
Ток высокого напряжения подается на металлические электроды, что вызывает испарение этого проводника
Это приводит к генерации огромного количества энергии за короткий промежуток времени
Образуется квазинейтральная плазма, характеризующаяся температурами до 4*104 К и давлением 4*1010 Па.
Это давление передается через угольный пласт в виде ударной волны, в результате чего среда сжимается и растягивается.
Вторичная проницаемость (микротрещины) образуется в угольном пласте, которая связывается с системой естественной трещиноватости
Процесс дегазации
- Бурение вертикальных скважин с поверхности
- Проведение ГИС в открытом стволе с целью уточнения глубины расположения и мощности угольного пласта.
- Проведение ПИВ в интервале угольного пласта и, если необходимо, на вмещающих породах.
- Дегазация: Спуск глубинно-насосного оборудования, откачка жидкости, вывод скважин на режим стабильного дебита метана и круглосуточный мониторинг.
- Скважины используются для дегазации в куполе обрушения. К началу запуска лавы из скважин извлекается глубинно-насосное оборудование и запускается комбайн.
Этапы работ для реализации проекта заблаговременной дегазации
Разработка проекта
Строительство подъездных путей, прокладка линии электропередач, обустройство площадок скважин
Подбор и закупка оборудования
Бурение скважин (используется конструкция скважин купольной дегазации с перебуриванием угольных пластов)
Характеристики оборудования ПИВ
Конструктивные характеристики
- Длина прибора 2,70 м
- Внешний диаметр 102 мм
- Вес 90 кг
- Максимальная рабочая температура +100 Cº
Механические характеристики
- Максимальное давление, вход/выход 25 МПа
- Вес при атмосферном давлении 1 800 кг/км
- Сила отрыва не менее 120 кН
Энергетические характеристики
Источник питания потребляет всего 500 ватт при напряжении 110/220 вольт. Высвобождение накопленной в батареях энергии происходит за 55 микросекунд.
Функции мониторинга
- Круглосуточный мониторинг осуществляется с помощью Автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП).
- Удаленный мониторинг осуществляется как показано на рис. 4 и 5.
Рис.4: Общий экран всех скважин.
Рис.5: Записываются следующие параметры скважины: Уровень жидкости в скважине, забойное давление, затрубное давление, дебит газа, температура газа, дебит воды, скорость вращения насоса, ток двигателя, накопленная добыча.
Ограничения по применению аппаратуры ПИВ
- Внутренний диаметр эксплуатационной колонны, не менее 114 мм;
- Пластовое давление, не более 40 МПа.
Путешествие по времени
1928
Если имеется твердая и жидкая среда, в которой создаются сжимающие и растягивающие напряжения, то можно разрушить любую твердую среду. Данный эффект открыт П. А. Ребиндером в 1928 году
1972
Этот эффект представляет собой адсорбционное понижение прочности — изменение механических свойств твёрдых тел вследствие физико-химических процессов, вызывающих уменьшение поверхностной (межфазной) энергии тела, что может приводить к деформации.
В случае твёрдого тела, помимо уменьшения поверхностной энергии, для проявления эффекта Ребиндера важно также, чтобы среда имела дефекты в структуре, необходимые для зарождения трещин, которые затем под влиянием воздействия распространяются.
В случае твёрдого тела, помимо уменьшения поверхностной энергии, для проявления эффекта Ребиндера важно также, чтобы среда имела дефекты в структуре, необходимые для зарождения трещин, которые затем под влиянием воздействия распространяются.
1997
Поскольку под воздействием переменного местного давления жидкости пузырьки могут резко сжиматься и расширяться, то температура газа внутри пузырьков колеблется в широких пределах, и может достигать нескольких сот градусов по Цельсию. Один из важных факторов воздействия кавитации обусловлен большими забросами давления и инициированием ударных волн, возникающими при схлопывании пузырьков и воздействующими на поверхности твердой среды, что приводит к её разрушению
2007
Компанией разработан источник направленных управляемых широкополосных колебаний, который представляет собой металлическую трубу диаметром 102 мм., длиной 2700 мм. с излучателем с высоковольтными электродами, батареей силовых, импульсных накопительных конденсаторов и устройством для подачи металлического калиброванного проводника в межэлектродное пространство, на который по команде оператора подается электрический импульс большой мощности, в результате чего проводник испаряется, превращаясь в квазинейтральную плазму (пузырь нейтрального газа высокого давления).
Источник питания потребляет всего 500 ватт при напряжении 110/220 вольт. Высвобождение накопленной в батареях энергии происходит за 55 микросекунд.
Источник питания потребляет всего 500 ватт при напряжении 110/220 вольт. Высвобождение накопленной в батареях энергии происходит за 55 микросекунд.
2015
Анализ показал, что угольный пласт по своим акустическим свойствам идеально подходит для применения плазменно-импульсного воздействия. Компания Георезонанс доработала технологию, изначально применявшуюся для интенсификации добычи нефти и запатентовала метод заблаговременной дегазации.
Если в угольных пластах и во вмещающих породах заблаговременно, до начала добычи угля, через скважины, пробуренные с дневной поверхности, искусственно создать растягивающие и сжимающие напряжения по периодическому принципу, то в динамической системе, которой является угольный пласт, начнется процесс самомодуляции, метан начнет увеличивать эффект воздействия. И значительный объем сорбированного и растворенного в угле газа перейдет в свободное состояние.
«Природный пусковой механизм», запускающий газодинамические явления в угольном пласте один и тот же для всех залежей, относящихся к природной нелинейной, диссипативной, динамической системе, находящихся в напряженном состоянии, не смотря на их разнообразие. При этом движущей силой является энергия свободного газа и энергию упругого деформирования, которые принимают участие в неожиданных выбросах в рабочее пространство шахт.
Если в угольных пластах и во вмещающих породах заблаговременно, до начала добычи угля, через скважины, пробуренные с дневной поверхности, искусственно создать растягивающие и сжимающие напряжения по периодическому принципу, то в динамической системе, которой является угольный пласт, начнется процесс самомодуляции, метан начнет увеличивать эффект воздействия. И значительный объем сорбированного и растворенного в угле газа перейдет в свободное состояние.
«Природный пусковой механизм», запускающий газодинамические явления в угольном пласте один и тот же для всех залежей, относящихся к природной нелинейной, диссипативной, динамической системе, находящихся в напряженном состоянии, не смотря на их разнообразие. При этом движущей силой является энергия свободного газа и энергию упругого деформирования, которые принимают участие в неожиданных выбросах в рабочее пространство шахт.
1928
1972
1997
2007
2015
В разработке технологии принимали участие
- Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (Технический университет), (д.т.н., профессор А.А.Молчанов).
- Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова (ОАО НИИЭФА), (д.т.н., профессор О.П. Печерский).
- Математическая модель флюидо-пороупругого поведения пласта при ПИВ разработана «Институтом прикладной математики им. М.В Келдыша РАН»;
- Микросейсмические исследования при применении ПИВ на угольных пластах проведены АО «Технологии обратных задач» и НИИ прикладной информатики и математической геофизики Балтийского федерального университета им. Иммануила Канта.
- Стендовые испытания влияния ПИВ на флюид проведены совместно с «Научный центр нелинейной волновой механики и волновых технологий (РАН)».
- Трехмерное геодинамическое и гидродинамическое моделирование ПИВ на угольные пласты неоднократно проводилось специалистами МГУ им. Ломоносова.
- При разработке методики воздействия на продуктивные пласты углеводородов использовались теоретические исследования Института физики прочности и материаловедения СО РАН, а также Института теплофизики Им. С.С. Кутателадзе СО РАН.
- In the development of methods for influencing the productive layers of hydrocarbons, theoretical studies of the Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, as well as the Institute of Thermophysics named after. S.S. Kutateladze of SB RAS were used.