DE2833598A1

DE2833598A1 - Verfahren zur kontrolle untertaegiger verbrennungs- und vergasungsvorgaenge in kohlefloezen

Info

Publication number: DE2833598A1
Application number: DE19782833598
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof Dr Helbig
Original assignee: Prakla Seismos GmbH
Current assignee: Geco Prakla GmbH
Priority date: 1978-07-31
Filing date: 1978-07-31
Publication date: 1980-03-06
Also published as: DE2833598C3; US4275787A; DE2833598B2; GB2030414B; GB2030414A; NL7905897A; BE877965A; FR2445856B1; FR2445856A1

Description

Dr., Gerhard Schupfner ·

Kirchenstraßft. 8

Buchholz / Nordheide " Buchholz, 28.OuIi 1978

D 78 006 DE

DEUTSCHE TEXACO AKTIENGESELLSCHAFT

Überseering 40 2000 Hamburg 60

VERFAHREN ZUR KONTROLLE UNTERTÄGIGER VERBRENNUNGS-UND VERGASUNGSVORGÄNGE IN KOHLEFLÖZEN

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kontrolle untertägiger Verbrennung^- und Vergasungsvorgange in Kohleflözon, insbesondere zur Feststellung des Orts der Verbrennungsfront und der Größe der Veränderungen der elektrischen Eigenschaften der Kohle bei der Verbrennung oder Vergasung.

Das Verfahren der Kohlevergasung ist besonders zur Gewinnung von Kohle unterhalb von ca. 1000-1200 m geeignet,.einer Tiefe, die praktisch die Grenze für den konventionellen bergmännisehen Abbau darstellt. Nach diesem Verfahren wird, in einem Kohleflöz eine Injektionsbohrung niedergebrachte Durch diese Bohrung wird ein Speisegas injiziert, das mit der Kohle im Flöz in einer chemischen Reaktion, z. B. in einer nichtvollständigen Verbrennung, reagiert. Das entstehende Prczeßgas dringt durch Klüfte, die ggf. beim Prozeß aelber noch vergrößert werden, nach außen zu einer Reihe Förderbohrungen, die z. B. auf einem Kreis um die Injektiorisbohrumj angeordnet sind. Die Reaktionsfront teilt das Korleflöz in zwei Teile: einen inneren, etwa zylitiderförmigi;n Teil, in dem sich Injektionsgas und Prozeßgas befinden, und einen uußeron · Teil, der im wesentlichen aus dem unveränderten Flc'zmaterial .

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besteht, das allerdings zerklüftet ist. In den Klüften befindet sich außerdem Prozeßgas, das zu den Förderbohrungen wandert.

Es ist bei diesem Verfahren erwünscht, die kritischen Prozeßparameter während des Reaktionsablaufs zu überwachen. Zu diesen Prozeßparametern gehört insbesondere die Lage der Verbrennungsfront. Die unzugängliche Lage und die hohen Temperaturen im Reaktionsraum lassen eine direkte Messung sehr schwierig erscheinen.

Es ist bereits ein Verfahren bekannt (DE-AS 1 061 268), mit dem die Lage der Verbrennungsfront während der unterirdischen Verbrennung einer ölhaltigen Formation bestimmt werden kann. Dabei werden von der Bohrung aus, von der aus die Verbrennung in die Formation hinein fortschreitet, aus kurzen elektromagnetischen Wellen im cm- oder mm-Bereich bestehende Sigrialimpulse ausgesendet, von wo sie durch praktisch ölfreies Gebiet zur Verbrennungsfront laufen und an der Grenzzone zwischen ölfreier Formation und öl- und wasserhaltiger Formation reflektiert werden. Die reflektierten Impulse werden in der gleichen oder in einer ähnlichen Bohrung empfangen, und das Zeitintervall zwischen dem Augenblick der Aussendung des Signalimpulses und dem Augenblick des Empfangs des reflektierten Impulses wird beobachtet und registriert. Dieses bekannte Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß die Formation dann, wenn sie aufgrund der Reaktion praktisch ölfrei geworden ist, eine hohe Durchlässigkeit für die genannten elektromagnetischen Wellen aufweist, so daß sich in diesem ölfreien Gebiet eine genügende Reichweite von einigen 100 m ergibt. Die Lokalisierung der Signalimpulsquelle in der Einspritzbohrung kann - mindestens im Anfangsstadium des Prozesses wegen der dort herrschenden hohen Temperaturen problematisch sein. ·

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Die Aufgabe der Erfindung ist es, bei Verbrennungs- und Vergasungsvorgangen in Kohleflözen Aussagen über den Ort der Verbrennungsfront und die Größe der Veränderungen der elektrischen Eigenschaften der Kohle zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im selben Kohleflöz mittels einer in einer Bohrung befindlichen gestreckten Antenne Radarsignale ausgesendet werden und daß die Radarsignale im selben Flöz mittels mindestens einer in einem weiteren Bohrloch befindlichen Empfangsantenne oder mittels der Sendeantenne zwecks Ermittlung ihrer Laufzeit und Amplitude aufgenommen werden.

Bei der Erfindung wird die Erkenntnis verwendet, daß die Leitfähigkeit von Kohle stark von der Temperatur abhängt; z. B. ändert sich die Leitfähigkeit von Kohle im Temperaturbereich zwischen 300 C und 1000 C um nahezu neun Größenordnungen. Das außerhalb des Reaktionsbereichs erzeugte Radarsignal wird daher nach Durchlaufen des unveränderten bzw. lediglich zerklüfteten Kohleflözes an einer Grenzzone reflektiert werden, deren Reflexionswirkung auf einer durch erhöhte Temperatur bedingten starken Leitfähigkeitserhöhung beruht.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Zusammenhang zwischen den für die Fortpflanzung der Radarsignale in Kohle wesentlichen Größen in Abhängigkeit von der Temperatur; und

Fig. 2 einen schematischen 'Vertikalschnitt durch die Lagerstätte.

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In der folgenden Erörterung werden die folgenden Symbole verwendet:

oC = Absorptionskoeffizient pro Längeneinheit

β=2Τΐ/Λ = Wellenzahl .

^ = Wellenlänge ■

O^- = Leitfähigkeit

£ = Dielektrizitätskonstante

μ . · =■ - magnetische Permeabilität

u> = Kreisfrequenz

Z * komplexe Impedanz " '

k. = Amplitudenabnahme pro Wellenlänge in dB K = relative Dielektrizitätskonstante..

Größen ohne Index beziehen sich auf das ungestörte Gebirge; Größen mit dom Index T beziehen sich auf die Verbrennungsfront.

Der Reflexionskoeffizient Ref für ebene elektrische Wellen, die senkrecht auf eine ebene Verbrennungsfront auffallen, .

• ·

7 —7

I t-rp - £·

Ref = -~ r (1).

l_£ + z

Dabei ist di-e komplexe Impedanz das Verhältnis der magnetischen zur elektrischen Feldkomponente in der fortschreitenden Welle.

030 0 TO/00

Unter der Voraussetzung, daß u und £ sehr viel weniger von der Temperatur abhängen als σ, läßt sich der Reflexionsfaktor in die folgende Form bringen:

Aus dieser Darstellung folgt, daß der Reflexionskoeffizient über 0,7 liegt, wenn die Amplitudenabnahme pro Wellenlänge in der Verbrennungsfront größer als 100 dB wird. Im ungestörten Flöz beträgt die Amplitudenabnahme pro Wellenlänge einige dB, z. B. 1 dß für Pittsburgh-Kohle und 3 dB für britische Kohle.

Unter Verwendung der Beziehung k = 20cxA/ln 10 läßt sich zeigen, daß mit den Werten er = 10 S/m, £ = K · 10 und CJ = 10⁸ sich ergibt

k ^ 800 dB/A . ' (3).

Der Reflexionsfaktor Ref ist damit von der Größenordnung 1.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sind für das vorliegende Problem drei Gebiete interessant:

Temperatur unter 100 ⁰C, (T <ssi* 10"^ S/m, γ*=Μ Temperatur über 100 ⁰C, <ö 10~⁷-10~⁹ S/m, \ <t 1 Temperatur ** 1000 ⁰C, er $& 10³ S/m, γ^ 1O³-1O⁵.

Für jedes der drei Gebiete läßt sich (χλ mit guter Genauigkeit durch einen einfachen Ausdruck annähern: .

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γ =» 1 + k, |SJ41, <*^λ*" 0,332 + 1,724

7 <g 1 <*λ^Α2,22 y

1 cX λ = .3,14

Für die drei Gebiete ergibt sich damit für den Amplituden verlust je Wellenlänge

10 dB-18 dB
0,02 dB-0,2 dB
dB-1000 dB.

Die Reichweite der Messungen wird dadurch festgelegt, daß die vom Ziel zurückgeworfene Welle noch nachweisbar bleibt. Das Verhältnis von maximaler ausgesandter Energie zur gerade noch nachweisbaren Echo-Energie wird als PF (Performance Figure) bezeichnet. Untertage betriebene Radargeräte haben PF-Werte von 100 dB-110 dB, wobei jedoch auch Werte von 200 dB-230 dB für erreichbar gehalten werden. Die Reichweite wird dadurch festgelegt, daß .

. PF j> 19,43-'+ 15 Ig(R/* ) + 5 lg(1 + R/r)+ 2k| - 20 lgJRefl (4).

Dabei ist R der Abstand Sender - Verbrennungsfront, und r ist der Krümmungsradius der Verbrennungsfront. Die ersten drei Tenne beschreiben die geometrischen Ausbreitungsverluste, der vierte Term die Absorptionsverluste auf Hin» und Rückweg, und der fünfte Term beschreibt die nicht-totale Reflexion. Da nach dem oben Gesagten Ref >0,7, ist der letzte Term <3,1 dB. '

ORiQINAL INSPECTED . · 0 30 010/0Ot 8

t» mi

.- ίο -

Für eine Wellenlänge von 1,0 m und eine Lagerstättentemperatur von 60 ⁰C ergibt sich k «β 0,003 dB/m. Setzt man ferner R/r = 300, so ergibt sich für ein PF von 100 dB eine Reichweite von über 100 m. Man erhält somit eine ausreichende Reichweite.

Die in Fig. 1 dargestellten 6~-Werte wurden experimentell ermittelt. Die -γ -Werte wurden für 16 MHz entsprechend Λ = 18 m berechnet.

Fig. 2 zeigt schematisch die Lagerstätte mit der Injektionsbohrung 1, der Meß- und Beobachtungsbohrung 2, der darin befindlichen Sende-/Empfangseinrichtung 3 für die Radarsignale, dem Kohleflöz 4 und dem Reaktionsraum 5, der sich in Richtung der Pfeile ausbreitet. Die Radarsignale gelangen von der Sende-/Empfangseinrichtung 3 durch das im wesentlichen ungestörte bzw. zerklüftete Kohleflöz 4 bis zu der den Reaktionsraum 5 begrenzenden Verbrennungsfront, werden an dieser aufgrund der dort stattfindenden starken Leitfähigkeitsänderung reflektiert und gelangen zurück zur Sende-/Empfangseinrichtung 3, um dann hinsichtlich Laufzeit und Amplitude analysiert zu werden. Die Empfangseinrichtung für die Radarsignale kann alternativ oder zusätzlich auch in einem oder mehreren weiteren Bohrlöchern angeordnet sein.

Bei der Verarbeitung der empfangenen Signale werden zweckmäßigorweise eine Vielzahl Meßsignale, die mit einem, bezogen auf das Fortschreiten des untertägigen Prozesses nichtsignifikanten, Zeitunterschied empfangen wurden, gleichsinnig und synchron zur Erzeugung eines Summensignals überlagert. Im Endeffekt wird dadurch eine Erhöhung der Reichweite erzielt.

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Es ist ferner zweckmäßig, anstelle von scharfen Radarimpulsen sog. Sweep-Signale auszusenden; diese bestehen aus langdauernden'Einzelimpulsen, die im wesentlichen sinusförmig sind und deren instantane Frequenz sich zwischen einer oberen und einer unteren Frequenzgrenze stark monoton ändert. Die empfangenen Sweep-Signale werden ggf. nach erfolgter Stapelung - mit dem ausgesandten Sweep-Signal in bekannter Weise kreuzkorreliert.

Um Signale auszuschalten oder zumindest weitgehend zu unterdrücken, die nicht durch den zu kontrollierenden Prozeß bedingt sind, ist es ferner zweckmäßig, Meßsignale nacheinander mit einem solchen Zeitunterschied zu erzeugen, daß. der untertägige Prozeß sich von einem Meßsignal zum nächsten in signifikanter Weise geändert hat, also z. B. die Reaktionsfront sich während dieser Zeitdauer um mindestens die dominante oder mittlere Wellenlänge des ausgesandten Signals ausgebreitet hat. Mit einem derartigen Zeitunterschied erzeugte Meßsignale werden mit umgekehrtem Vorzeichen einander überlagert zur Bildung eines Differenzsignals. Dabei heben sich diejenigen Reflexionen heraus, die nicht von der Reaktionsfront, sondern von anderen, mit der Reaktion in keinem Zusammenhang stehenden Reflektoren kommen, und es bleibt nur die Differenz der von'der Reaktionsfront herrührenden Signale. In den Fällen, in denen Empfänger und Sender nicht an der gleichen Stelle sind, hebt sich bei der Differenzbildung natürlich auch die direkte Welle heraus. Auf das Differenzsignal können dann die oben schon erörterten Bearbeitungsschritte wie Stapelung, Kreuzkorrelation usw. angewandt werden.

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-u-

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Kontrolle untertägiger Verbrennungs- und Vergasungsvorgänge in Kohleflözen, insbesondere zur Feststellung des Orts der Verbrennungsfront und der Größe der Veränderungen der elektrischen Eigenschaften der Kohle bei der Verbrennung oder Vergasung,

dadurch gekennzeichnet,

daß im selben Flöz mittels einer in einer Bohrung befindlichen gestreckten Antenne Radarsignale ausgesendet werden, und -■■---.

daß die Radarsignale im selben Flöz mittels mindestens einer in einem weiteren Bohrloch befindlichen Empfangsantenne oder mittels der Sendeantenne zwecks Ermittlung ihrer Laufzeit und Amplitude aufgenommen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß Meßsignale, die jeweils mit einem, bezogen auf das Fortschreiten des untertägigen Prozesses signifikanten, Zeitunterschied erzeugt worden sind, mit umgekehrtem Vorzeichen überlagert werden zwecks Ermittlung der auf den Veränderungen des Meßraums beruhenden Laufzeit- und Amplitudenwerte aus dem erhaltenen Differenzsignal.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Erhöhung, der Reichweite eine Vielzahl von Einzelimpulsen mit einem, bezogen auf das Fortschreiten des untertägigen Prozesses nichtsignifikanten, Zeitunterschied nach ihrem Empfang vor der Weiterverarbei*·

_Λ ' 030010/0018

ORiGlNALlNSPECTED

tung gleichsinning und synchron zur Erzeugung eines Su;nraensignals überlagert werden.

U. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,

da3 anstelle von scharfen Radarimpulsen, langdauernde Einzelimpulse ausgesendet werden, die im wesentlichen sinusförmig sind und eine zwischen einer oberen und einer unteren Frequenzgrenze sich stark monoton ändernde instantane Frequenz aufweisen, und daß entweder die aufgenommenen Signale vor der zur Erzeugung eines Suinmensignals führenden Überlagerung oder das Summensignal vor der zur Erzeugung eines Differenzsignals führenden Überlagerung oder das Differenzsignal mit dem ausgesendeten Signal kreuzkorreliert werden.

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