Моделирование подземного нагрева горючих сланцев

Актуальность работы. Запасы горючих сланцев огромны и по некоторым оценкам превышают запасы всех остальных ископаемых топлив, вместе взятых. Однако вследствие высокого содержания минеральной части в объеме породы (высокой зольности) они нерентабельны для шахтной и часто даже карьерной добычи. Большое количество отходов переработки сланцев создает также экологическую проблему, связанную с утилизацией шлака.

Переработка горючих сланцев в горючий газ непосредственно на месте залегания пласта способна решить эти проблемы. По этой причине подземная газификация горючих сланцев видится перспективным направлением. Различные технологии подземной газификации твердых топлив в горючий газ предлагаются еще с конца XIX века, однако практически все они имеют различные технологические или экологические ограничения.

В настоящее время энергию горючих сланцев в промышленных масштабах используют только в США (компании Chesapeake Energy, ExxonMobil, Shell и др.), применяя внутрипластовые гидроразрывы и сбор метана газоносных сланцевых пластов. Однако этот способ приводит в негодность твердую составляющую породы, пропитывая ее большим количеством используемого для гидроразрывов раствора. Не считая экологических проблем, из-за которых европейские страны отказались от этого метода, его основным недостатком можно считать крайне низкую степень использования органической массы породы (3−5%).

Задачу подземной газификации твердых топлив можно решить более эффективным способом, например, пиролитической конверсией. Основная техническая задача в этом случае заключается в нагреве подземного пласта до температуры термохимических превращений (300−500°С). Электрофизический нагрев может быть наиболее универсальным и перспективным, поскольку современный уровень развития электронной компонентной базы и электротехнического оборудования позволяет создавать широкий спектр регулируемых преобразователей тока и напряжения большой мощности.

Объектом исследования в работе является электрофизический нагрев подземных пластов горючих сланцев.

Идея работы: исследовать возможность использования электрофизических методов нагрева подземных пластов горючих сланцев до температуры термохимического разложения.

Цель диссертационной работы: исследовать возможность использования электрофизических методов нагрева пластов горючих сланцев до температуры термохимического разложения.

Основными методами исследования были выбраны математическое и физическое моделирование подземного нагрева. Математическое моделирование включало разработку феноменологической модели и программного обеспечения, описывающего динамику распределения теплового поля межи околоэлектродной части пласта при нагреве электромагнитным полем в зависимости от режимов введения энергии и измеренных температурных зависимостей диэлектрических и теплофизических свойств. Физическое моделирование осуществлялось с помощью спроектированной и изготовленной экспериментальной установки, содержащей герметичную камеру, в которой для образца горючих сланцев создавались условия, близкие к условиям подземного пласта, и набор электротехнического оборудования для исследования разных режимов нагрева.

Для достижения поставленной цели в соответствии с выбранными методами исследований решались следующие основные задачи:

1. Исследовать температурно-частотные (КБи ЬР-диапазон) зависимости диэлектрических свойств горючих сланцев и измерить изменения теплоемкости и теплопроводности при температурах 30−300°С.

2. Провести расчетное моделирование динамики распределения температуры при нагреве горючих сланцев электромагнитным полем.

3. Разработать методику и установку для физического моделирования подземного нагрева горючих сланцев.

4. Провести физическое моделирование подземного нагрева в лабораторных условиях с получением горючего газа и сланцевой смолы.

5. Определить требования к оборудованию для подземной газификации горючих сланцев.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены температурно-частотные зависимости диэлектрических и температурные зависимости теплофизических свойств горючих сланцев.

2. Получены результаты компьютерного моделирования кинетики нагрева подземных пластов горючих сланцев с учетом теплоотвода, доказывающие возможность их нагрева до температуры пиролиза.

3. Предложено использовать явление триинга и карбонизации сланцев для их электронагрева и конверсии.

4. Получены результаты исследований нагрева подземных пластов горючих сланцев электромагнитным полем, джоулевым теплом в плазменном канале электротеплового пробоя и окружающей его области карбонизации с получением сланцевых газа и нефти.

5. По результатам исследований состава полученных газов оценена энергетическая эффективность пиролиза.

Практическая значимость работы:

1. Полученные температурные зависимости tgS (f), еф, аф, удельной теплоемкости С и коэффициента теплопроводности Я горючих сланцев могут быть использованы для расчета нагрева подземного пласта.

2. Установлены режимы нагрева горючих сланцев электромагнитным полем и джоулевым теплом в плазменном канале электротеплового пробоя и образующейся области карбонизации вокруг него для разработки способа подземного нагрева.

3. Разработана методика и оборудование для физического моделирования подземного нагрева горючих сланцев.

4. Предложен проект оборудования для подземной конверсии месторождения горючих сланцев.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Рассчитанная динамика распределения температуры в пласте горючих сланцев, доказавшая возможность технической реализации его нагрева диэлектрическими и резистивными потерями высокочастотного электромагнитного поля.

2. Механизм нагрева сланцев для их пиролитической конверсии в горючие газы и смолу, заключающийся в последовательности процессов формирования частичных разрядов, триинга, электротеплового пробоя, плазменного канала и окружающей его области карбонизации.

3. Способы нагрева подземных пластов горючих сланцев диэлектрическими и резистивными потерями электромагнитного поля, джоуле-вым теплом в плазменном канале и окружающей его области карбонизации.

Личный вклад автора заключается в участии в постановке задач и их реализации, проведении экспериментальных и компьютерных исследований. Автором лично предложена методика экспериментальных исследований характеристик триинга, электротеплового пробоя и плазменного канала в сланцах, проведен анализ и интерпретация экспериментальных данных и сделан вывод о возможности технической реализации подземного нагрева горючих сланцев плазменным каналом, сформулированы технические требования, предложена концепция и разработан проект опытной установки для полевых испытаний этого способа.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и осуждались на XIII международном симпозиуме Materials, Methods and Technologies (г.Несебр (Болгария), 2011), XVI Международном симпозиуме имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» (г.Томск, 2012), XVIII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г.Томск, 2012), XV Международной конференции по радиационной физике и химии конденсированного состояния (г.Томск, 2012), II Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» (г.Томск, 2013).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 11 работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК. Получен патент РФ на изобретение № 2 477 788.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Ее содержание изложено на 95 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 5 таблиц. Библиографический справочник содержит 71 наименование.

Основные результаты и выводы:

1. Полученные температурно-частотные зависимости диэлектрических свойств горючих сланцев свидетельствуют о том, что горючие сланцы являются полупроводящим материалом с высокой величиной тангенса угла потерь tgS = (0,15−0,2) и широким спектром размеров релаксаторов в диапазоне 102−104Гц.

2. Проведенные компьютерные исследования динамики распределения температуры при нагреве пласта горючих сланцев диэлектрическими и рези-стивными потерями показали возможность технической реализации нагрева подземного пласта до температуры теромодеструкции.

3. Разработана экспериментальная установка для физического моделирования подземного нагрева сланцев, имитирующая пластовые условия по давлению и теплоотводу.

4. Физическое моделирование показало адекватность проведенных компьютерных исследований распределения температуры во времени при нагреве пласта горючих сланцев.

5. Определены условия возникновения и характеристики частичных разрядов, триинга и окруженного областью карбонизации плазменного канала в горючих сланцах.

6. Частичные разряды и триинг в горючих сланцах приводят к росту низко-омных дендритов и электротепловому пробою при аномально низкой средней напряженности.

7. Доказана возможность использования триинга, низкоомного канала электротеплового пробоя и окружающей его области карбонизации для рези-стивного нагрева горючих сланцев.

8. Сформулированы технические требования к оборудованию для нагрева подземных пластов горючих сланцев резистивными потерями в плазменном канале и области карбонизации и разработан проект установки для полевых испытаний способа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.