Mechanisms of occurrence of partial discharges in oil shale.pdf Введение Месторождения низкосортных ископаемых твердых топлив, таких как горючие сланцы, распространены весьма широко в значительных объемах. До конца прошлого века эти запасы рассматривались в качестве важного топливно-энергетического и химико-технологического сырья [1]. Однако в настоящее время эти ресурсы не выдерживают конкуренции с нефтью и природным газом, добыча которых является менее затратной. Для освоения низкосортных твердых топлив необходима рентабельная, экологически безопасная и относительно универсальная технология разработки подобных месторождений. Способы подземной переработки твердых топлив позволяют снизить издержки, избегая извлечения породы на поверхность и последующую утилизацию золы, которая в составе горючих сланцев может достигать 90% массы и более. Существует множество предложенных способов внутрипластовой переработки, часть из которых опробована в промышленных масштабах [2-4]. Однако в настоящее время подземная переработка горючих сланцев не применяется по ряду технических, экономических и экологических причин. Одним из распространенных способов подземной разработки твердых топлив является нагрев до температуры пиролиза. При этом происходит конверсия твердой органической массы породы в жидкие и газообразные продукты. Подземный нагрев можно производить за счет джоулева тепла путем пропускания тока через пласт. Согласно такому способу, необходимо создать две скважины и в них разместить электроды, подключенные кабелями к наземному источнику электроэнергии [5]. Такой подход позволит извлекать до 90% органической компоненты сланцев (керогена) [6, 7] с высокой степенью управляемости процессом, не создавая значительной нагрузки на экологическую обстановку. Однако нагрев участка пласта непосредственным пропусканием тока технически весьма сложен. Этому препятствует либо высокое исходное сопротивление породы, либо протекание тока по большому объему, в результате чего не удается сконцентрировать выделение джоулева тепла в локальном объеме. Преодолеть эту сложность позволит создание низкоомного канала между электродами. Электрический пробой при расстоянии между скважинами в десятки метров потребует весьма высокого напряжения. Однако можно использовать эффект, который применительно к электроизоляционным материалам называют деградацией. Этот эффект заключается в постепенном локальном снижении сопротивления при воздействии высокого напряжения. Причиной деградации изоляции являются частичные разряды (ЧР), происходящие при напряженности в десятки киловольт на миллиметр при напряжении промышленной частоты [8, 9]. В общем случае частичными разрядами называют разряды, перекрывающие часть межэлектродного промежутка. На практике к ЧР относят локальные пробои микровключений, в основном газовых и жидких [10]. Важной характеристикой ЧР в материалах является напряжение и напряженность возникновения ЧР. Эти величины определяют пороговые значения параметров электромагнитного воздействия, при котором происходит деградация материала. ЧР возникают при искажении электрического поля в местах возникновения напряженности, локально превышающей электрическую прочность. Поэтому в гетерогенных материалах на возникновение ЧР влияют состав и структура материала, диэлектрические характеристики его компонент, геометрическая структура включений. В горючих сланцах ЧР возникают при аномально низкой напряженности поля [11] в сравнении с ЧР в изоляционных материалах [12, 13]. В результате действия ЧР происходит постепенная электрическая деградация материала, и этот эффект может быть использован для создания низкоомного канала в горючих сланцах при относительно низком напряжении. Для применения данного эффекта на практике необходимо определить напряжение и напряженность возникновения ЧР, а также механизмы и закономерности его электрической деградации. Горючие сланцы - осадочная порода с низкой степенью метаморфизма и крайне высокой гетерогенностью, состоящая из органической и минеральной частей. Электрофизические свойства отдельных компонент сланцев варьируются в весьма широких пределах [14-17]. Это вызывает резко неравномерное распределение поля в породе, что и является основной причиной низкой напряженности возникновения ЧР. Мы исследовали механизмы искажения поля и возникновения ЧР в горючих сланцах, чтобы понять, как можно прогнозировать вероятность деградации и формирования низкоомного канала. Исследование структуры и состава горючих сланцев Исследования морфологии поверхности слома и элементный микроанализ горючих сланцев проводились с помощью растрового электронного микроскопа LEO1455VP при ускоряющем напряжении 20 кВ детектором отраженных электронов. Результаты микроскопии представлены на рис. 1 и 2. Рис. 1. Микрофотографии поверхности слома горючих сланцев поперек слоев Хуаданьского месторождения при увеличении в 1000 (а) и 5000 раз (б) На микрофотографиях (рис. 1, 2, а) отчетливо видны различные по типу включения размерами 0.5-10 мкм и общая неоднородность структуры породы. Наиболее ярко выражены высокопроводящие (наиболее светлые) кристаллические включения пирита. Спектры (рис. 2, б, в, г, д) демонстрируют существенное локальное различие элементного состава сланцев. Спектры на рис. 2, б и в явно соответствуют пириту (FeS2), небольшое отличие в соотношении масс и наличие посторонних примесей вызвано попаданием электронного пучка на соседние атомы. В полученных спектрах помимо железа и серы наблюдается преобладание С, O, Si, Al, Ca. Рис. 2. Спектры относительного содержания элементов: а - фотография с указанными точками спектров; б, в, г, д - соответствующие спектры Для определения количественного элементного состава горючих сланцев проводилась атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой на спектрометре iCAP 6300 Duo, Thermo Scientific. Результаты приведены в табл. 1. Пробы 1 и 2 - крупный помол в стакане из карбида вольфрама и железа соответственно взяты для оценки диапазона локальных концентраций элементов, 3, 4, 5 - мелкий помол в железном стакане с перемешиванием для получения средних значений концентраций. Сравнение первой и второй проб по Fe показывает привнесение железа из стакана в количестве ~ 50% от исходного. Вольфрам в первой пробе полностью привнесен из стакана. Результаты выполненных спектральных анализов коррелируют с данными рентгенофазовых анализов минеральной компоненты Хуаданьских сланцев [18]: 31-49% глины, 32-45% кварц, до 28% кальцит, 3-10% полевые шпаты, 2-5% пирит. Ca, Fe, K, Mg, Na, помимо содержания в перечисленных минералах, могут образовывать примеси карбонатов, оксидов и сорбироваться в виде ионов в глинах. Относительно высокая концентрация титана обусловлена присутствием рассеянного TiO2, часто содержащегося в осадочных породах, в основном в форме рутила [19]. Углерод и кислород, обнаруженные при микроскопии, входят в состав как минеральной, так и органической компонент породы. Очевидно, что присутствие большого количества разнородных материалов приводит к специфической реакции породы на воздействие электрического поля. Таблица 1 Концентрация элементов в горючих сланцах Хуаданьского месторождения № п/п Элемент Проба 1, мг/кг Проба 2, мг/кг Проба 3, мг/кг Проба 4, мг/кг Проба 5, мг/кг Среднее по 3-5, мг/кг 1 Si 60700 132900 110260 104060 104560 106293.333 2 Ca 166600 51620 49140 36750 39810 41900 3 Al 7790 38610 26790 16700 19420 20970 4 Fe 11480 17620 21980 21890 21760 10938.333 5 K 1025 8210 6156 5567 6066 5929.667 6 Mg 91190 8310 4904 4941 5426 5090.333 7 Na 931.7 4147 3692 3394 3588 3558 8 Ti 380.3 1675 1715 1688 1712 1705 9 Mn 893.1 614.7 581 579 572 577.333 10 Zr 16.09 51.27 343 308 347 332.667 11 Ba 181.9 554.1 338 317 341 332 12 Sr 2002 479.8 305 295 296 298.667 13 P 1242 1780 278 356 206 280 14 Zn 20.65 61.05 56.3 54.1 53.8 54.733 15 Ni 7.091 33.3 30.7 67.1 29.2 42.33 16 V 18.04 43.14 33.9 33.5 33.8 33.733 17 Cr 14.43 168.2 31.1 33.2 33.3 32.533 18 B 27.61 33.23 41.4 12.6 20.1 24.7 19 Li 54.25 28.37 26.3 22.3 24.3 24.3 20 Cu 5.709 18.88 18.4 16.7 17.99 17.697 21 Co 9.914 10.76 12.1 11.8 11.9 11.933 22 Pb 6.05 8.671 9.95 10.1 9.96 10.003 23 Mo 0.559 3.868 1.28 1.24 1.28 1.267 24 Cd 0.51 0.837 0.95 1.03 0.99 0.99 25 W 690.6

Скачать электронную версию публикации