NL7905897A - Werkwijze voor het controleren van de ondergrondse verbranding en vergassing in steenkoollagen. - Google Patents

Description

s ψ y N.O. 28,055

Prakla-Seismos G.m.b.H., te Hannover, Bondsrepubliek

Duitsland,

Werkwijze voor het controleren van de ondergrondse verbranding en vergassing in steenkoollagen.

De uitvinding heeft betrekking op controle in het algemeen, en in het bijzonder op de controle van de ondergrondse verbrandings- en vergassingsprocessen in·een steenkoollaag.

Een steenkoolvergassingsproces is in het bijzonder 5 bruikbaar voor het winnen van steenkool op grotere diepte dan 1000 a 1200 m, de diepte die practisch gesproken de limiet vormt voor conventionele mijnbouw. Volgens deze methode wordt een injectieput geboord tot in de steenkoollaag. Door dit boorgat wordt een voedingsgas geinjec- 10 teerd dat een chemische reactie aangaat met de steenkool in de laag, bijvoorbeeld in een onvolledige verbranding.

Het resulterende procesgas migreert door breuken, die mogelijk uitzetten tijdens het proces, naar diverse pro-ductiebronnen die bijvoorbeeld in een kring rond de injec- 15 tieput zijn geplaatst. Het reactiefront deelt de steenkoollaag in tweeën: een centraal gedeelte, dat ruwweg cylin-drisch van vorm is en dat het voedingsgas en het procesgas bevat, en het daaromheen liggende deel dat voornamelijk bestaat uit onveranderd steenkoolmateriaal, weliswaar met 20 breuken. Deze brueken bevatten ook procesgas dat naar de productiebronnen migreert.

Bij deze methode is het wenselijk dat de kritieke parameters van het proces in de loop van de reactie kunnen worden gecontroleerd. Dit geldt met name voor de plaats 25 van het verbrandingsfront. Gezien de ontoegankelijkheid en de hoge temperatuur van het reactiegebied, stuiten directe 7905897 v w 2 metingen op moeilijkheden.

Een reeds bekende methode ter bepaling van de plaats van het verbrandingsfront tijdens verbranding van oliehoudende formatie bestaat uit het uitzenden van korte electromagnet ische golven in het cm of mm golflengtegebied, vanuit 5 de put waarvanuit de verbranding zich voortzet in de formatie.

Deze pulsen planten zich voort door een gebied zonder olie naar het verbrandingsfront en worden gereflecteerd in het grensgebied tussen de olievrije formatie en de formatie 10 die nog olie en water bevat. De gereflecteerde pulsen worden opgevangen in dezelfde of een soortgelijke boorput en het tijdsinterval tussen uitzending en ontvangst van de puls wordt gemeten en vastgelegd. De methode berust op het feit, dat de formatie, nadat de olie er door de reactie 15 practisch geheel uit verwijderd is, een hoge doorlaatbaarheid heeft voor genoemde electromagnetische golven, zodat een geschikt bereik van ongeveer 100 meter wordt verkregen in dit olievrije gebied. Het bepalen van de plaats van de bron van de pulsen kan moeilijk zijn - in ieder geval in 20 het beginstadium van het proces - vanwege de heersende hoge temperaturen.

Een doel van de onderhavige uitvinding is om de locatie van het verbrandingsfront te bepalen en de grootte van de verandering van de electrische eigenschappen van de 25 steenkool tijdens de verbranding en vergassing in steenkoollagen, vast te stellen.

De onderhavige uitvinding lost dit probleem in principe op door uitzending van radarsignalen vanuit een bij voorkeur langwerpige antenne in een boorgat in de betref1- 30 fende steenkoollaag, en het ontvangen van de radarsignalen ter bepaling van looptijd en/of amplitude door middel van tenminste een bij voorkeur langwerpige ontvangstantenne in hetzelfde of in althans een verdergelegen boorbut of door de zendantenne, die als ontvangantenne kan werken. 35

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht in 790 5 8 97 ft 3 m de hierna volgende beschrijving aan de hand van de tekening, waarin bij wij'ze van voorbeeld een toepassing van deze werkwijze is weergegeven. De figuren dienen slechts ter illustratie en geven geen enkele indicatie over de begrenzing van het toepassingsgebied van de uitvinding. 5

Fig. 1 is een grafische voorstelling van het verband tussen de voortplanting van radargolven in steenkool en de temperatuur; fig. 2 is een schematische voorstelling van een verti-kale sectie door een geologische formatie, met een steen- 10 koollaag en boorgaten ter toepassing van deze uitvinding.

De uitvinding is gebaseerd op het feit, dat het geleidend vermogen van steenkool sterk temperatuurafhankelijk is. In het temperatuurgebied tussen 300° en 1000° C, bijvoorbeeld, verandert het geleidend vermogen van steenkool 15 met ongeveer 9 ordes van grootte. Na door de onveranderde of alleen maar gefractureerde steenkoollaag, te zijn voortgeplant, wordt het radarsignaal dat buiten het reactiege-bied is opgewekt daarom gereflecteerd aan een grensgebied, waarvan het reflecterend vermogen te danken is aan de grote 20 stijging in geleidend vermogen tengevolge van de gestegen - temperaturen.

De volgende symbolen worden gebruikt voor een beschrijving van deze uitvinding.

α absorptiecoëfficiënt per eenheid van 25 lengte β»2&Τ/λ = go lf ge tal Ά = golflengte geleidend vermogen £ = diëlectrische constante 30 t*· = magnetische permeabiliteit 63 * cirkelfrequentie * 2 = complexe impedante T s k * afname van amplitude per golflengte 35

in dB

7905897 ' * 4 K = relatieve diëlectrische constante.

G-rooth.ed.en zonder subscript hebben betrekking op een onverstoorde formatie. Grootheden met het subscript 1 verwijzen naar het verbrandingsfront.

De reflectiecoëfficiënt Ref voor vlakke electrische 5 golven welke loodrecht op het verbrandingsfront invallen, wordt gegeven door: • · Z - 2

Ref - (1) ZT + 2

De complexe impedantie is hier de verhouding tussen de magnetische en de electrische componenten van het veld 10 van de zich voortplantende golf.

Onder aanname dat en £ veel minder sterk tempera-tuurafhankelijk zijn dan e* , kan de reflectiefactor als volgt worden uitgedrukt:

Ref - (]c+kT; + j.80ftr/1n10 “ (k-kj)/(k+kT + j*109,13) (2) 15

Hieruit volgt dat de reflectiecoëfficiënt groter is dan 0,7 indien de reductie van de amplitude per golflengte in het verbrandingsfront groter is dan 100 dB. In de onverstoorde steenkool bedraagt de afname van de amplitude per golflengte slechts enkele dB, bijvoorbeeld 1 dB voor 20 "Pittsburgh-coal" en 3<3B voor Britse steenkool.

Door middel van de relatie k ® 20 αλ'/ 1n 10, en met e* = 10^ S/m, £ = K.101*1 en O = 10®, kan men aantonen dat: Té» 800 dB/λ (3)

De reflectiefactor Ref is dus ongeveer 1. 25

Uit fig. 1 blijkt dat er drie temperatuurintervallen kunnen worden onderscheiden die in verband met het probleem van belang zijn: temperatuur onder 100° C : e* ss 10“^ S/m,Y- 1 temperatuur boven 100° C - 300° 10“^-10”^ S/m,Y« η temperatuur 1000° C :<*» 105 S/m,Y= 105-105 7905897 5

Voor ieder van deze drie intervallen kan aX met redelijke nauwkeurigheid worden "benaderd door middel van een simpele uitdrukking: Y = , l*l«1 , α λ* 0.332 + 1.724* *4*1 α λ — 2.22 * 5 yyy 1 α

Voor de drie intervallen is de afname van amplitude per golflengte dus: k2Q « 10 dB - 18 dB 10

k15Q ci 0.02 dB - 0.2 dB

k1000 - 100 12 “ Ί°00 03

De reikwijdte van de metingen wordt bepaald door de eis, dat de door het front gereflecteerde golf nog detecteerbaar moet zijn. 15

De verhouding tussen de maximale uitgezonden energie en de nog juist detecteerbare echo-energie wordt aangeduid als PF (Performance Figure). Ondergrondse radars hebben PF-waarden tussen 100 en 110 dB, hoewel waarden van 200-230 dB bereikbaar geacht worden. De reikwijdte vindt men 20 uit: PF 19.43 + 15 lg(RA) + 5 lg(l+R/r) + 2k J - 20 lg tBefl (4) waarin E de afstand tussen de zender en het verbrandings-front is, en r de kromtestraal van het verbrandingsfront.

De eerste drie termen beschrijven het verlies ten gunste 25 van de geometrische spreiding, de vierde term het verlies ten gunste van absorptie over de heen- en terugweg, en de vijfde term beschrijft de niet-totale reflectie. Aangezien volgens het bovenstaande Eef > 0.7, is deze laatste term < 3.1 dB. 30

Bij een golflengte van 1 meter en een reservoirtempe-ratuur van 60° 0, vindt men k * 0.003 dB/m. Als E/r = 300 wordt een reikwijdte van meer dan 100 m bereikt voor een PF van 100 dB. Men behaalt dus een voldoend grote reikwijdte. 35

De waarden voor**, weergegeven in fig. 1, zijn experi- 7905897

V

6 menteel bepaald. De y-waarden zijn berekend voor 16 MHz, hetgeen overeenkomt met λ = 18 m.

Fig. 2 toont het reservoir, met de injectieput 1, de meet- en observatieput 2, de zich daarin bevindende zend/ ontvangapparatuur 3 met een zend/ontvangantenne voor de 5 radarsignalen, de steenkoollaag 4 en het reactiegebied 5» dat zich in de richting 'van de pijlen uitbreidt. 5e signalen lopen vanuit de zend/ontvangapparatuur 3 door de voornamelijk ongestoorde maar gebroken steenkoollaag 4 naar het verbrandingsfront dat de grens vormt van het reactiegebied 10 5, waar zij tengevolge van de grote reflectiecoëfficiënt worden teruggekaatst naar de zend/ontvangapparatuur 3» om daar op looptijd en amplitude geanalyseerd te worden.

De ontvangapparatuur kan met een aparte ontvangantenne ook in een of meer andere boorputten worden geplaatst. Ook 15 kunnen in een boorput meerdere zend- en/of ontvangantennes worden opgesteld.

Bij de verwerking van de opgenomen signalen verdient het de voorkeur een aantal signalen synchroon te superpo-neren, met dezelfde polariteit om een gesommeerd signaal 20 te vormen. Dit kan indien het tijdsverschil tussen achtereenvolgend uitge zonden pulsen klein is in vergelijking met het voortschrijden van het verbrandingsproces. Hiermee wordt een vergroting van de reikwijdte bereikt.

Het verdient ook de· voorkeur zogenaamde MSweep,,-sig- 25 nalen uit te zenden, in plaats van scherpe radarpulsen; deze bestaan uit langgerekte, gescheiden pulsen, in wezen van sinusoidale vorm, waarvan de instantane frequentie strikt monotoon varieert tussen een boven- en een onderfrequentie-grens. De ontvangen Sweep-signalen worden desgewenst gesom- 30 meerd, en op bekende wijze gekruiscorrelleerd met het uit-, gezonden Sweep-signaal.

Om signalen die niet afkomstig zijn van het te controleren proces te kunnen onderdrukken is het ook wenselijk signalen op te wekken met een zo groot tijdsverschil, dat 35 het ondergrondse proces zich tussen de uitzending van de 7905897 7 twee signalen significant gewijzigd heeft, zodat bijvoorbeeld bet reactiefront tijdens dit interval minstens een afstand gelijk aan de dominante golflengte van bet uitgezonden signaal voorgeschreden is. Signalen die met een dergelijk tijdsverschil zijn opgewekt worden met omgekeerd 5 teken gesommeerd om een differentiesignaal te kunnen vormen. Reflecties die niet afkomstig zijn van het reactiefront maar van andere reflectoren worden op deze wijze geëlimineerd, zodat alleen het verschil van de signalen welke van het reactiefront komen overblijven. Indien zender en ont- 10 vanger niet in dezelfde put staan opgesteld, wordt het directe signaal langs deze weg ook geëlimineerd. Het differentiesignaal kan.dan worden bewerkt zoals boven aangegeven middels sommatie, kruiscorrellatie, etc.

Het spreekt vanzelf, dat de uitvinding niet tot de 15 beschreven werkwijzen beperkt is, maar dat wijzigingen en aanvullingen mogelijk zijn zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

790 5 8 97

Claims (5)

1. Werkwijze voor liet controleren van ondergrondse ver- brandings- en vergassingsprocessen in steenkoollagen, in het bijzonder voor het bepalen van de plaats van het verbrandings-front en de grootte van de verandering in de electrische 5 eigenschappen van steenkool tijdens verbranding en vergassing, met het kenmerk, dat radarsignalen worden uitgezonden door een zendantenne in een boorgat in de betreffende steenkoollaag, en dat de radarsignalen worden geregistreerd ter bepaling van hun looptijd en/of amplitu- 10 des door middel van tenminste een ontvangantenne in hetzelfde of in althans een ander boorgat of door de zendantenne, die tevens als ontvangantenne kan werken.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de zend- en ontvangantennes langwerpige 15 antennes zijn.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2,met het kenmerk, dat signalen die telkens met een, in vergelijking met het voortschrijden van het ondergrondse proces significant, tijdsverschil worden uitgezonden, worden 20 gesuperponeerd met omgekeerd teken, ter bepaling van de looptijd en amplitude van het differentiesignaal dat slechts afhangt van veranderingen binnen de meetruimte.

4. Werkwijze volgens de conclusies 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat ter vergroting van de reikwijdte 2*5 een aantal verschillende signalen, uitgezonden met een onderling tijdsverschil dat klein is in vergelijking met de voortgang van het ondergrondse proces, na ontvangst, voorafgaande aan verdere bewerking van het signaal, met gelijke polariteit en synchroon wordt gesuperponeerd. 30

5· Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies., met het kenmerk, dat in plaats van scherpe radarpulsen, lange sinusvormige signalen worden uitgezonden, waarvan de instantane frequentie op een strikt monotone wijze varieert tussen een boven- en een ondergrens, 35 en dat hetzij de ontvangen signalen voorafgaande aan de 7905897 superpositie ter vorming van het differentiesignaal, hetzij het differentiesignaal zelf, wordt gekruiscorrelleerd met het uitgezonden signaal. * * * * * * 7905897