Моделирование подземного нагрева горючих сланцев

• Автор: Мартемьянов, Сергей Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 95 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ КОНВЕРСИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
1Л Общие сведения о горючих сланцах
1.2 Химия термического разложения горючих сланцев
1.3 Методы высокотемпературной конверсии подземных пластов горючих сланцев

1.4 Выбор и обоснование направления исследований
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРО- И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ ЦЗИЛИНЬСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ (КНР)
2.1 Исследование температурных зависимостей диэлектрических свойств
2.2 Измерение теплофизических свойств
2.3 Установка для моделирования подземного нагрева
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В СЛАНЦАХ
3.1 Разработка модели
3.2 Численный расчет
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДЗЕМНОГО НАГРЕВА ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ
4.1 Исследование термического разложения и состава продуктов пиролиза.
4.2 Результаты экспериментальных исследований нагрева
4.2.1 Нагрев диэлектрическими и резистивными потерями высокочастотного
электромагнитного поля
4.2.2 Частичные разряды и электрогепловой триинг в горючих сланцах
4.2.3 Параметры ЧР в горючих сланцах
4.3 Резистивный нагрев горючих сланцев каналом электротеплового пробоя
4.3.1 Электрогепловой пробой на частоте 50Гц
4.3.2 Зависимость напряжения электротеплового пробоя от расстояния
4.3.3 Вольтамперные характеристики проводящего канала электротеплового
пробоя
4.3.4 Оценка энергоэффективности процесса
4.4 Техническое предложение на подземный нагрев
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1: АКТ ВНЕДРЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
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 ре-гулируемых 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 меж- и 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 (КГ- и Ц7-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.

~ 400 «-

1,0Е+
1.0Е+
1,0Е+
Рис.11 Относительная диэлектрическая проницаемость перпендикулярно
слоям
Температурная зависимость электропроводности
Температурная зависимость электропроводности сланцев на постоянном токе (рис.12), так же как и большинства диэлектрических и полупроводниковых материалов неплохо описывается законом Аррениуса [34):
где (70ъ о"02 _ значения электропроводности для примесных и собственных носителей заряда, £) и Е2- энергии активации носителей, к - постоянная Больцмана. В низкотемпературной области примесной электропроводности величина а вдоль слоев была выше приблизительно в 5-ьЮ раз у всех образцов, вырезанных из разных фрагментов сланцев, чем а поперек слоев (рис. 12). Значения энергии активации носителей имели малый разброс в пределах 0,6-е0,7эВ. Основное отличие от классического хода зависимостей а(Т) происходит при температурах ~240°С и ~400°С. При достижении первой характерной температуры происходит не повышение а, которое у других материалов обусловлено освобождением дополнительных носителей заряда из ловушек, а снижение. Это связано с началом термохимической деструкции породы и межслоевым растрескиванием сланцев. Вероятно, по этой же при-