Генераторы сейсмических колебаний невзрывного типа использующие в качестве энергоносителя бензин-кислородные смеси, обогащенные водородом

Геофизическая разведка месторождений углеводородов занимает важное место в деятельности нефтесервисных компаний. На долю геофизической разведки углеводородов приходится около 15 % российской нефтесервисной структуры. На рисунке 1 представлены основные нефтесервисные компании, осуществляющие свою деятельность на территории РФ.

Один из самых неоднозначных нефтяных регионов мира, привлекающий внимание целого ряда стран – Арктика. Сложные климатические условия и слабое развитие инфраструктуры делают освоение и разработку арктического региона трудной с технической и экономической точек зрения. Таким образом, возникает необходимость в разработке новых технологий и модернизации уже существующих для повышения эффективности разведки месторождений углеводородов в Арктике и других нефтеносных регионах. На рисунке 2 представлена карта выявленных структур и месторождений на территории арктического шельфа.

Сейсмическая разведка является одним из методов поиска месторождений нефти и газа. В настоящее время для возбуждения упругих сейсмических волн используются различные генераторы сейсмических колебаний невзрывного типа. Самый распространённый тип энергоносителей – пропан-кислородные смеси. Однако рабочий диапазон температур данной смеси не позволяет вести работы при отрицательных температурах, характерных для северных регионов [1].

Для решения поставленной проблемы предлагается использовать модернизированную систему питания, рассчитанную на использование бензин-кислородных смесей в качестве энергоносителя. Система является составной частью генератора сейсмических колебаний, предназначенного для проведения разведочных работ в местах, где затруднено ведение буровзрывных работ. Рабочий диапазон температур для бензин-кислородных смесей составляет от +40 °С до -28 °С.

Предлагается переоборудование уже существующих аналогов, работающих на пропане, либо пропан-бутановой смеси, переведя их на бензиновое топливо путём использования пропановой линии для раздельного заполнения камер и оснащением бензиновой линией с впуском бензина непосредственно в запальную трубку.
Далее представлены основные физико-химические свойства бензина и кислорода.

Бензин — горючая смесь, состоящая из лёгких углеводородов с температурой кипения от +33 до +205 °C (в зависимости от различных примесей). Плотность бензина колеблется в диапазоне от 0,71 до 0,76 г/см³. Теплотворная способность бензина достигает значения около 10 600 ккал/кг (44,4 МДж/кг). Температура замерзания приближается – 60 °C в случае использования специальных химических присадок. Такой параметр, как «октановое число» характеризует детонационную стойкость топлива, обычно бензина. Бензин с более высоким октановым числом может выдержать более высокую степень сжатия без досрочного самовоспламенения [2].

Кислород – восьмой элемент второго периода в периодической системе Д.И. Менделеева. При нормальных условиях (Т = 273,15 К; Р = 101325 Па) кислород представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса. При нормальных условиях 1 литр кислорода имеет массу около 1,429 г. В свободном виде элемент существует в двух аллотропных модификациях: O2 и O3 (озон) [3].

Технические характеристики

На рисунке 1 представлена предполагаемая система питания, которая состоит из бензиновой, кислородной и смесевой линий. Кислородная линия содержит: кислородные баллоны (1) с редуктором (2), манометры (3), пневмоуправляемые клапаны (4), обратные клапаны (5), пламегасители (6), отсекатели (7), подводящие шланги и трубопроводы. Бензиновая линия включает в себя: бензобак (8), оборудованный регулятором давления воздуха (9), манометр (10), предохранительный клапан (11), бензиновый клапан (12), смотровые окна (13), кран (14), впускные бензиновые клапаны (15) и выпускные клапаны (16), подводящих трубопроводов, линии подвода воздуха в демпферные объёмы, содержащие краны (17) и мембраны (18). В смесевую линию входят запальная головка и запальная трубка. Пневматическая система управления включает: электромагнитный клапан взвода (19), электромагнитный клапан впуска (20), электромагнитный клапан выпуска (21) и подводящие трубопроводы.

Работа предлагаемой установки будет происходить следующим образом. При срабатывании клапана ввода воздух из пневмосистемы попадает в полости отсекателей и осуществляет их взвод. В результате этой операции кислородные линии соединяются со смесительными камерами в запальных головках. При срабатывании клапана впуска воздух из пневмосистемы открывает клапаны в кислородных линиях и клапаны в бензиновой линии. Кислород из баллонов и бензин из бензобака поступают в смесительную камеру и дальше по запальной трубке в камеры сгорания. При заполнении камер сгорания необходимым количеством смеси происходит отсечка отсекателей и выключение электроуправляемого клапана впуска. Воздух из полостей и линий управления клапанами вытекает в атмосферу, запирая эти клапаны. Подача кислорода и бензина во взрывные камеры прекращается. В дальнейшем осуществляется подрыв смеси с одновременным открытием выпускного клапана. По окончании выпуска клапан отключается и установка готова к осуществлению следующего воздействия.

Рекомендации по испытаниям

Для оценки надёжности работы установки необходимо использовать критерий – “наработка на отказ”. Безотказность работы узлов системы питания оцениваются по отсутствию отказов во время работы установки и отсутствию самоподрывов в течении всего периода испытаний для установления её достаточно высокой надёжности.

К числу наиболее важных эксплуатационных параметров установок подобного типа относятся: энергия воздействия, минимальный интервал времени между двумя воздействиями на одной точке и разброс величин задержек от момента подачи сигнала “Разряд” до воздействия камер на грунт.

Энергия воздействий при неизменных конструктивных параметрах взрывной камеры определяется в основном давлением продуктов взрыва смеси в постоянном объёме. Величина этого давления определяется выражением:

где:

Oсм – теплотворная способность смеси, [ккал/н.м3]; K – показатель адиабаты продуктов реакции; Pсм – давление смеси, [н/м2]; Aт – тепловой эквивалент работы, [ккал/Дж]; P0 – атмосферное давление, [н/м2].

Теплопроводная способность смеси кислорода с пропан – бутаном составляет примерно 2500 ккал/н.м3, а бензин-кислородной смеси 3500ккал/ н.м3 [4]. Таким образом, при одинаковом давлении смесей взрыв бензино – кислородной смеси обеспечивает давление продуктов реакции в 1,4 раза выше по сравнению с кислород-пропановой смесью. Показатель К для обоих случаев равен 1,17. В связи с вышеизложенным для достижения энергетических параметров установок давление смеси на установке с бензино – кислородной смесью должно быть 1,4 раза ниже. При этом расход кислорода на одно воздействие сокращается также в 1,4 раза.

Модернизация и обогащение бензина водородом

В качестве улучшения смеси-энергоносителя предлагается использовать обогащение водородом. Обогащение водородом используется для улучшения эксплуатационных характеристик бензинного топлива, используемого в двигателях внутреннего сгорания [6].
Водород летучий газ, обладающий наивысшей теплоёмкостью. Реакция горения водорода является экзотермической. Продуктом реакции является вода. Выделяющееся в процессе тепловую энергию можно преобразовывать в другие виды энергии.

O₂ => 2H₂O + Q2H₂ +

Горение водорода происходит только в случае наличия свободных радикалов, т.е. необходимо затратить некоторое количество энергии для нагревания веществ до определенной температуры. Для запуска реакции горения водорода требуется затратить меньше энергии, чем для запуска реакции горения бензина. Искры, имеющей энергию приблизительно 0,02 мДж достаточно, чтобы воспламенить водород-кислородную смесь. Инициация горения водорода запускает цепную реакцию, воспламеняя всю смесь водород-бензин-кислород. Присутствие водорода в смеси позволит увеличить скорость реакции и количество получаемой на выходе энергии. Еще одним преимуществом, имеющим первостепенной значение для сейсморазведки на шельфе, является экологичность реакции, протекающей при присутствии водорода в смеси. Предположительное количество водорода в бензине – 40 %.

Заключение

Для проведения сейсморазведочных работ в районах Сибири, Крайнего Севера и Арктики использование бензин-кислородных генераторов сейсмических колебаний имеют потенциал решения температурных ограничений, свойственных уже существующим аналогам. Их применение обеспечит повышение геолого-экономической эффективности и технико-методического уровня сейсмической разведки, исключение вредного воздействия на окружающую среду, облегчение условий труда и снижение опасности для обслуживающего персонала при проведении сейсмической разведки на суше и на континентальном шельфе [5].