DE2833598C3

DE2833598C3 - Verfahren zur Kontrolle untertägiger Verbrennungs- und Vergasungsvorgänge

Info

Publication number: DE2833598C3
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: 1981-02-12
Also published as: NL7905897A; DE2833598B2; GB2030414A; US4275787A; BE877965A; GB2030414B; FR2445856A1; FR2445856B1; DE2833598A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kontrolle untertägiger Verbrennungs- und Vergasungsvorgäfige 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 ω 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- (,5 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 sich 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 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 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 ölfrei« 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 d&? 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 ges'reckten 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 1000⁰C 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 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 Vertikalschnitt durch die Lagerstätte.

In der folgenden Erörterung werden die folgenden Symbole verwendet:

a.	*2πΙλ*	= Absorptionskoeffizient pro
		Längeneinheit
*ß =*		= Wellenzahl
λ		= Wellenlänge
a		= Leitfähigkeit
ε		= Dielektrizitätskonstante
μ		= magnetische Permeabilität
ω		= Kreisfrequenz
Z	= komplexe Impedanz
V	= α/ωε

Ref =

k- k-,

k = Amplitudenabnahme pro Wellenlänge

in dB
K = relative Dielektizitätskonstante.

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

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

Ref =

Zj-Z

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 F,tm bringen:

k_T)

= (k-k_T)/(k + k_T+j 109,13)

Aus dieser Darstellung folgt daß der Reflexionskoeffizient über 0,7 liegt wenn die Amplitudenabnahme pro Wellenlänge in der Verbrennungsfront größer als 10OdB 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 Jt=20otA/ln 10 läßt sich zeigen, daß mit den Werten O

k % 800 dB/A

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Der Reflexionsfaktor Ref ist damit von der Größenordnung 1.

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

Temperatur unter 100°C, η % ΙΟ"³ S/m, ;· * 1
Temperatur über 100⁰C, α 10"⁷—10 '⁹ S/m, γ «c 1
Temperatur * 1000⁰Ca = 10³ S/m, ;· * I0³ —JO⁵.

Für jedes der drei Gebiete läßt sich «λ mit guter

Genauigkeit durch einen einfachen Ausdruck annähern:

j' = 1 + λ,|λ| <: I, α/ % 0,332 + 1,724/ γ <: 1 λ λ * 2,22 γ

γ :> I ,*/. = 3,14 \[γ

Für die drei Gebiete ergibt sich damit für den J5 Amplitudenverlust je Wellenlänge

Zc₂₀ * 10 dB— l8dB k_1S0 % 0,02dB—0,2dB /ciooo =* lOOdB— 10OdB.

Die Reichweite der Messung wird dadurch festgelegt, daß die vom Ziel zurückgeworfene Welle noch nachweisbar bleibt. Das Verhältnis von maximaler

4^r> ausgesandter Energie zur gerade noch nachweisbaren Echo-Energie wird als PF (Performance Figure) bezeichnet Untertage betriebene Radargeräte haben PF-Werte von 100 dB—11OdB, wobei jedoch auch Werte von 20OdB-23OdB für erreichbar gehalten werden. Die Reichweite wird dadurch festgelegt, daß

PF :> 19,43 + 15Ig(K/;.) + 5Ig(I + R/r) -_r 2k ^- - 20\g\Ref \

Dabei ist Rder 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.

Kür eine Wellenlänge von I₁Om und eine Lagerstättentemperatur von 6O⁰C ergibt sich *»0,003dB/m. Setzt man ferner ΛΛ = 300, so ergibt sich für ein PF von 10OdB eine Reichweite von über 100 m. Man erhält somit eine ausreichende Reichweite.

Die in Fig. 1 dargestellten 0-Werte wurden experimentell ermittelt Die y-Werte wurden für 16 MHz entsprechend A=ISm berechnet.

Fig.2 zeigt schematisch die Lagerstätte mit der Injektionsbohrung '■, der Meß- und Beobachtungsbohrung 2, der darin befindlichen SendeVEmpfangseinrichtung 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

bi. 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-ZEmpfangseinrichtung 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 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.

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 untrrrn 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 zi kontrollierenden Prozeß bedingt sind, ist es ferne zweckmäßig, Meßsignale nacheinander mit einen solchen Zeitunterschied zu erzeugen, daß der untertägi -) ge Prozeß sich von einem Meßsignal zum nächsten ii signifikanter Weise geändert hat, also z. B. die Reaktionsfront sich während dieser Zeitdauer un mindestens die dominante oder mittlere Wellenläng< des ausgesandten Signals ausgebreitet hat. Mit einen

ίο derartigen Zeitunterschied erzeugte Meßsignale wer den mit umgekehrtem Vorzeichen einander tiberlager zur Bildung eines Differenzsignals. Dabei heben siel diejenigen Reflexionen heraus, die nicht von der Keaktionsfront, sondern von anderen, mit der Reaktiot

|-> in keinem Zusammenhang stehenden Reflektorei kommen, und es bleibt nur die Differenz der von tlei Reaktionsfront herrührenden Signale. In den Fällen, ir denen F.mnfanypr und SpnHrr nirht an rjpr gleiche Stelle sind, hebt sich bei der Differenzbildung natürlicl·

.Ό 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.

Z 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 Lauf- 2s zeit- 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 Weiterverarbeitung gleichsinnig und synchron zur Erzeugung eines Summensignals überlagert werden.

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 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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