DE2833598B2

DE2833598B2 - Verfahren zur Kontrolle untertagiger Verbrennungs- und Vergasungsvorgänge

Info

Publication number: DE2833598B2
Application number: DE2833598A
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof. Dr. Zeist Helbig (Niederlande)
Original assignee: Prakla Seismos GmbH
Current assignee: Geco Prakla GmbH
Priority date: 1978-07-31
Filing date: 1978-07-31
Publication date: 1980-06-12
Also published as: FR2445856B1; BE877965A; GB2030414A; GB2030414B; DE2833598C3; DE2833598A1; US4275787A; NL7905897A; FR2445856A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kontrolle untertägiger Verbrennungs- und Vergasungs- v> vorgänge in Kohleflözen, 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 t>o Gewinnung von Kohle unterhalb von ca, 1000—1200 m geeignet, einer Tiefe, die praktisch die Grenze für den konventionellen bergmännischen Abbau darstellt. Nach diesem Verfahren wird in einem Kohleflöz eine Injektionsbohrung niedergebracht. Durch diese Boh- h> rung wird ein Speisegas injiziert, das mit der Kohle im Flöz in einer chemischen Reaktion, z. B. in einer nichtvollständigen Verbrennung, reagiert. Das entstehende Prozeßgas dringt durch Klüfte, die ggf. beim Prozeß selber noch vergrößert werden, nach außen zu einer Reihe Förderbohrungen, die z. B, auf einem Kreis um die Injektionsbohrung angeordnet sind. Die Reaktionsfront teilt das Kohleflöz in zwei Teile: einen inneren, etwa zylinderförmigem Teil, in dem sieb Injektionsgas und Prozeßgas befinden, und einen äußeren Teil, der im wesentlichen aus dem unveränderten Flözmaterial 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 Verbrennungsiront Die unzugängliche Lage und die hohen Temperaturen im Reaktionsraum lassen eine direkte Messung sehr schwierig erscheinen.

Es ist bereits ein Verfahren bekannt (DE-AS 10 61 268), 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 Signalimpulse 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 aufweis:, 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.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, bei Verbrennungsund Vergasungsvorgängen 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 weiten 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 300⁰C und 10W⁰C 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 Leitfähigkcitserhöhung beruht.

Pie Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigt

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

F i g. 2 einen schematischen Vertikajschnitt durch die Lagerstätte.

In der folgenden Erörterung werden die folgenden Symbole verwendet:

ix = Absorptionskoeffizient pro

Längeneinheit

β =2 π/λ = Wellenzahl

λ = Wellenlänge

a = Leitfähigkeit

ε = Dielektrizitätskonstante

μ = magnetische PeiTneabilität

ω = Kreisfrequenz

Z = komplexe Impedanz

γ = α/ωε

IO

Ref =

k-k_T

k = Amplitudenabnahme pro Wellenlänge

in dB
K = relative Dielektizitätskoiistante.

Größen ohne Index beziehen sich auf das ungestörte Gebirge; Größen mit dem Index ^beziehen sich auf die Verbrennungsfront

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

Dabei ist die komplexe Impedanz das Verhältnis der magnetischen zur elektrischen Feldkomponente in der fortschreitenden Welle.

Unter der Voraussetzung, daß μ und ε sehr viel weniger von der Temperatur abhängen als o, läßt sich der Reflexionsfaktor in die folgende Form bringen:

(Jt + fc_T) +j -80 π/ In = (k - k_T)/(k + k_T+j- 109,13)

Aus dieser Darstellung foigt, 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 dB für Pittsburgh-Kohle und 3 dB für britische Kohle.

Unter Verwendung der Beziehung k=20aX/\n 10 läßt sich zeigen, daß mit den Werten O

k ν 800dB/A

(3)

Genauigkeit durch einen einfachen Ausdruck annähern: γ = 1 + Λ» J ΛΙ <: 1, χ λ 5: 0,332 + 1,724 ν

Der Reflexionsfaktor Ref ist damit von der Größenordnung 1.

Unter Bezugnahme auf F i g. 1 sind für das vorliegende Problem drei Gebiete interessant:

Temperatur unter 100⁰C, σ « 10 ³ S/m, γ « 1
Temperatur über 100⁰C, σ 10"⁷— IO~⁹S/m, γ <r. 1
Temperatur * IOOO°C, σ ν 1O³SM₃' * ΙΟ³ —10^s.

Für jedes der drei Gebiete läßt sich χλ mit guter

λ ;. * 2,22 j.
λ/. = 3,14

Für die drei Gebiete ergibt sich damit für den Amplitudenverlust je Wellenlänge

Zc₂₀ * 1OdB-18dB
k_l50 % 0,02dB—0,2dB
Zc₁₀₀₀ * lOOdB—10OdB.

Die Reichweite der Messung 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-110dB, wobei jedoch auch Werte von 200dB-230dB für erreichbar gehalten

to werden. Die Reichweite wird dadurch festgelegt, daß

PF ■> 19,43 + 15Ig(Λ/Α) + 5Ig(I + R/r) + 2/c 4- - 2Clg|Re/|

Dabei ist R der Abstand Sender-Verbrennungsfront, und r ist der Krümmungsradius der Verbrennungsfront. Die ersten drei Terme 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.

Für eine Wellenlänge von 1,0 m und eine Lagerstättentemperatur von 60⁰C ergibt sich Jt»0,003 dB/m. Setzt man ferner /?/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 «-Werte wurden experimentell ermittelt Die y-Werte wurden für IbMHz entsprechend λ = 18 m berechnet.

Fig.2 zeigt schematisch die Lagerstätte mit der Injektionsbohpjng 1, der Meß- und Beobachtungsbohrung 2, der darin befindlichen Sende-ZEmpfangseinrichtung 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 Kohleflö/. 4 bis zu der den Reaktionsraum 5 begrenzenden Verbrennungsfront, werden an dieser aufgrund der dort stattfindenden starken Leitfahigkeitsänderung 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 zweckmäßigerweise «ine 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.

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 pr£nupn7ffrpn7p ttarlc mnnntnn ändert. Dip. emnfanfffinen 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 zt kontrollierenden Prozeß bedingt sind, ist es fernei zweckmäßig, Meßsignale nacheinander mit einen solchen Zeitunterschied zu erzeugen, daß der untertägi ge Prozeß sich von einem MeOsignal zum nächsten ir signifikanter Weise geändert hat, also z. B. die Reaktionsfront sich während dieser Zeitdauer urr mindestens die dominante oder mittlere Wellenlänge des ausgesandten Signals ausgebreitet hat. Mit einen

ίο derartigen Zeitunterschied erzeugte Meßsignale wer den mit umgekehrtem Vorzeichen einander Überlager zur Bildung eines Differenzsignals. Dabei heben siel diejenigen Reflexionen heraus, die nicht von dei Reaklionsfront, sondern von anderen, mit der Reaktior in keinem Zusammenhang stehenden Reflektorer kommen, und es bleibt nur die Differenz der von dei Reaktionsfront herrührenden Signale. In den Fällen, ir denen Empfänger und Sender nicht an der gleicher Stelle sind, hebt sich bei der Differenzbildung natürlich auch die direkte Welle heraus. Auf das Differenzsigna können dann die oben schon erörterten Bearbeitungs schritte wie Stapelung, Kreuzkorrelation usw. ange wandt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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, ,.lehtsignifikanten Zeitunterschied nach ihrem Empfang vor <i.er Wei'srverarbeitung gleichsinnig und synchron zur Erzeugung eines Summensignals überlagert werderv.

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

daß anstelle von scharfen Radarimpulsen langdauernde Einzelimpulse ausgesendet werden, die im wesentlichen sinusförmig sind und eine zwischen 4η einer oberen und einer unteren Frequenzgrenze sich stark monoton ändernde instante Frequenz aufweisen, und

daß entweder die aufgenommenen Signale vor der zur Erzeugung eines Summensignals 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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