Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Modelowanie numeryczne ładunków kumulacyjnych z wkładkami dzielonymi dwuczęściowymi

Hebda Kamil, Habera Łukasz, Koślik Piotr

Nafta-Gaz

|

2021

|

R. 77, nr 4

264--269

PL

Niniejszy artykuł powstał na podstawie wyników modelowania numerycznego ładunków kumulacyjnych z nietypowym kształtem wkładki kumulacyjnej. Standardowy ładunek typu deep penetrating (głęboko penetrujący) posiada wkładkę kumulacyjną w kształcie stożka wykonaną z miedzi. Zamodelowano trzy geometrie ładunków kumulacyjnych o niekonwencjonalnym kształcie, które porównano do modelu klasycznego ładunku. Ładunki te porównano pod względem maksymalnego ciśnienia podczas detonacji, prędkości strumienia kumulacyjnego, uzyskanej energii kinetycznej oraz długości strumienia kumulacyjnego po czasie 22 µs. Celem modelowania ładunków kumulacyjnych z wkładkami o niekonwencjonalnym kształcie było sprawdzenie, czy są one w stanie poprawić parametry zabiegu perforacji w odwiertach naftowych. Perforacja otworu naftowego to krytyczny zabieg, dzięki któremu możliwe jest rozpoczęcie wydobycia węglowodorów z danego złoża. Zabieg ten polega na wykonaniu serii kanałów prostopadłych do osi otworu penetrujących ścianki rur okładzinowych, cementu oraz skałę złożową w celu utworzenia połączenia hydraulicznego pomiędzy otworem wiertniczym a złożem węglowodorów. W przemyśle naftowym ładunki typu deep penetrating są projektowane, aby zapewnić optymalną długość kanału perforacyjnego przy zachowaniu odpowiedniej średnicy perforacji. Obecnie najpowszechniej używanymi ładunkami kumulacyjnymi głęboko penetrującymi są ładunki osiowosymetryczne z wkładkami kumulacyjnymi w kształcie stożka wykonanymi z proszków miedzi. Ładunki te osiągają prędkość strumienia kumulacyjnego na poziomie 7000 m/s i w sprzyjających warunkach są w stanie spenetrować do 1 m calizny skalnej. W artykule opisano parametry ładunków kumulacyjnych, które uzyskano w wyniku modelowania numerycznego. W celu potwierdzenia zdolności przebijania celów przez zamodelowane ładunki należałoby sprawdzić ich fizyczne modele w warunkach poligonu doświadczalnego.

EN

The article was created on the grounds of numerical modelling of shaped charges with a focus on the unconventional shape of their liners. The standard shaped charge of the “deep penetrating” type is equipped with a conical liner made of copper. Three various geometries of shaped charges featuring unconventional shape have been modelled and compared with the classical model of a shaped charge. The shaped charges have been compared for maximum pressure during detonation, cumulative jet velocity, kinetic energy gained and length of cumulative jet after 22 µs. The purpose of modelling shaped charges, featuring unconventionally formed liners, was to check whether they are able to improve the perforation job parameters in oil and gas wells. Perforation of the borehole is a critical job, enabling the initiation of hydrocarbons production from a specific reservoir. The job consists in making series of channels perpendicular to the borehole axis, penetrating casing walls, the cement layer and the formation rock, in order to create a hydraulic link between the borehole and the reservoir of hydrocarbons. In the oil industry, the “deep penetrating” type shaped charges are designed in order to provide optimal length of the perforation channel, while maintaining its adequate perforating diameter. Nowadays, the most commonly deep-penetrating shaped charges used, are the axially-symmetric shaped charges with conical liners made of copper powders. The charges create a cumulative jet reaching a velocity of approx. 7000 m/sec and are able to penetrate up to 1 m of rock matrix in favourable conditions. The article describes the parameters of shaped charges, that have been obtained as a result of numerical modelling. In order to finally confirm the target penetrating ability by the modelled shaped charges, one should check their real physical models in fire-ground conditions.

2

Badania porównawcze liniowych ładunków kumulacyjnych

Habera Łukasz, Habera Kamil

Nafta-Gaz

|

2021

|

R. 77, nr 6

366--375

PL

Celem prezentowanych badań poligonowych była fizyczna weryfikacja zdolności liniowego ładunku kumulacyjnego (LŁK) do perforowania celu wielowarstwowego w warunkach napowietrznych. Zastosowane modele doświadczalne zbliżały układ geometryczny testowany na poligonie do sekcji odwiertu podlegającej zabiegowi perforacji. Seria badań strzałowych obejmowała testy trzech rodzajów ładunków liniowych wytypowanych do stosowania w urządzeniach perforująco-szczelinujących. Testom poddano ładunek: • LŁK w obudowie ołowiowej o przekroju kołowym φ = 40 mm z wgłębieniem kumulacyjnym; • LŁK z miedzianą wkładką kumulacyjną w obudowie stalowej w kształcie trapezu 20/30 mm; • LŁK z wkładką kumulacyjną z litej miedzi w obudowie stalowej w kształcie trapezu 20/40 mm. W trakcie badań rejestrowano prędkość strumienia kumulacyjnego za pomocą układu sond napięciowych rozmieszczonych pomiędzy poszczególnymi warstwami celu złożonego z materiału stalowego i betonu. Metoda badawcza dopasowana do charakteru testów miała na celu zweryfikowanie tezy, czy zaproponowane ładunki kumulacyjne spełniają warunki techniczne i sprawnościowe do efektywnego zastosowania ich w przemyśle naftowym. Poprzez warunki techniczne rozumiemy przede wszystkim gabaryt zewnętrzny umożliwiający posadowienie ładunku wewnątrz rury korpusowej z zachowaniem wymaganego dystansu od ścianki urządzenia. Przyjętym kryterium sprawnościowym była natomiast zdolność lub jej brak do perforowania celu wielowarstwowego w postaci dwóch płyt stalowych i odlewu betonowego. Stanowisko badawcze, z natury rzeczy jednorazowego użycia, każdorazowo składało się z bloczka betonowego o wymiarach 400 mm × 250 mm × 150 mm i wytrzymałości statycznej na ściskanie 20 MPa, na którym położone zostały równolegle dwie płyty stalowe z zachowaniem odstępu równego 20 mm. Grubość płyt to 5 mm i 10 mm. Na wierzchniej płycie stalowej pozycjonowano badany ładunek kumulacyjny w odległości jednego kalibru – czyli dystansu równego rozwartości ładunku trapezowego oraz pełnej średnicy ładunku o przekroju kołowym. Ponadto w płaszczyznach zmiany ośrodka (stal–powietrze; powietrze–stal; stal–beton) zamontowano zestaw napięciowych sond pomiarowych w postaci cienkich pojedynczych przewodów elektrycznych (φ = 0,25 mm). W chwili ich zerwania (przerwania obwodu) w wyniku działania strumienia kumulacyjnego – spadek napięcia w kolejnych sondach pomiarowych zadziała na zasadzie bramki logicznej typu start–stop lub innymi słowy: zero–jeden (0–1). Odczytanie czasów przerwań poszczególnych sond pozwoliło dodatkowo wyznaczyć prędkość strumienia kumulacyjnego i oszacować dynamikę jego wyhamowywania wraz z pokonywaniem kolejnych elementów celu wielowarstwowego.

EN

The fireground tests are the best method for verifying the operation effectiveness of the entire shooting device or its component parts in real conditions. The purpose of the fireground tests presented herein was the physical verification of linear shaped charge (LSC) ability to perforate multi-layered target, reflecting the material and geometrical conditions of a borehole. The series of shooting tests included tests of three types of linear shaped charges selected for use in perfo-fracturing devices. The following shaped charges were tested: • LSC in lead enclosure, having φ = 40 mm circular cross-section with shaped recess; • LSC with copper liner in 20/30 mm steel trapezoid enclosure; • LSC with liner made of solid copper, in 20/40 mm steel trapezoidal enclosure. During testing, the cumulative jet velocity was recorded using voltage type probes, arranged between the individual layers of a target composed of steel and concrete materials. The research method adapted for the project purposes was aimed at verification of the following thesis: whether the proposed shaped charges fulfil the technical and performance conditions for their effective application in the oil industry. The criterion adopted was the ability – or lack of ability – to perforate the multi-layered barrier in the form of two steel plates and concrete casting. The testing stand, single-use by its nature, was each time composed of concrete block having 400 mm × 250 mm × 150 mm dimensions and 20 MPa static compressive strength, on which two steel plates were placed parallel to each other with 20 mm spacing. The thickness of the plates was 5 mm and 10 mm respectively. The tested shaped charge was placed on the top steel plate at a distance of one calibre – that is the distance equal to the opening of the trapezoidal shaped charge and full diameter of circular cross-section charge. Furthermore, within media interface planes (steel/air, air/steel; steel/concrete), the set of voltage-type measuring probes was installed, in the form of single electric wires (φ = 0.25 mm). At an instant when they break (circuit break) as a result of cumulative jet operation, voltage drop in the subsequent measuring probes will act as a logical gate of start-stop type, or in other words the zero-one (0–1) type gate. The readings of individual probes breakage times allowed in addition to determine the velocity of the cumulative jet and to estimate its braking dynamics while passing through the subsequent elements of multi-layered target.

3

Testing the effectiveness of multi-layer target penetration by linear shaped charges

Habera Łukasz, Hebda Kamil

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 12

919--928

EN

Choć zjawisko kumulacji detonacyjnej jest dobrze znane i wykorzystywane w technice strzelniczej na całym świecie, to branża naftowa wciąż poszukuje jak najefektywniejszego sposobu perforacji odwiertów naftowych i gazowych. Wykorzystanie materiałów wybuchowych w ładunkach kumulacyjnych przeznaczonych do prac perforacyjnych zapewnia skuteczne połączenie hydrauliczne odwiertu ze złożem, ale wciąż pozostają lokalne negatywne skutki detonacji w postaci stref zmiażdżonych i zniszczonych wokół kanałów perforacyjnych. W niniejszym referacie zaproponowano nowe spojrzenie na sposób perforacji odwiertów. Pozostając w domenie materiałów wybuchowych, przedstawiono metodę perforacji opartej na wykorzystaniu liniowych ładunków kumulacyjnych, których działanie potęguje energia spalania propelantów. W referacie przedstawiono przebieg i rezultaty czterech testów strzałowych koncepcyjnego urządzenia perforująco-szczelinującego o roboczej nazwie Szczelinogenerator, którego głównym zadaniem jest przebicie wielowarstwowego zróżnicowanego materiałowo celu, jakim jest wgłębna konstrukcja odwiertu. Przedstawione badania poświęcone są skuteczności perforowania układu stal– woda–beton. W ich toku rozwiano obawy dotyczące braku jednoczesności zainicjowania wszystkich uzbrojonych ładunków i wystąpienia działań niszczących urządzenie jeszcze przed jego pełnym zadziałaniem. Potwierdziła się jednak hipoteza o konieczności gruntownej modernizacji ładunków liniowych, które w obecnej formie uwalniają zbyt dużą ilość energii poza oś działania strumienia kumulacyjnego. Przedmiotowe straty energii, po pierwsze, osłabiają działanie ładunku, po drugie, powodują zniszczenia rury korpusowej jako urządzenia nośnego poprzez wydatne rozdęcie i rozerwanie. Analiza przekrojów powstałych szczelin kumulacyjnych pozwala stwierdzić, że są one jednorodne i nie obserwuje się w nich znaczących zmian szerokości. Głębokości czy zasięgu szczelin na tym etapie pracy nie określono z powodu zniszczenia części betonowej modeli imitujących odcinki otworu wiertniczego. Przeprowadzone badania, zrealizowane w postaci czterech testów strzałowych, potwierdzają zdolność ładunków kumulacyjnych liniowych do skutecznego penetrowania celów o budowie wielowarstwowej.

4

Numerical modelling of shaped charges with an elliptical liner

Hebda Kamil, Habera Łukasz

Nafta-Gaz

|

2020

|

R. 76, nr 12

929--933

EN

The article elaborates upon the numerical modelling of shaped charges equipped with various types of elliptical (trumpet-like) liners. Three various geometries of shaped charges with elliptical liners were modelled, which have been compared against a model of a traditional shaped charge with a conical liner. The charges were compared for maximum pressure during charge detonation, velocity of cumulative jet, kinetic energy obtained, as well as length of cumulative jet after a 15 µs interval. The modelling of shaped charges with elliptical liners was aimed at improvement of perforation job parameters in oil wells. Realization of the perforation job is a key element, enabling initialisation of production from a given reservoir of hydrocarbons. The purpose of perforation is the creation of a channel series, perpendicular to borehole axis, penetrating the wall(s) of the casing, cement layer and formation rock, in order to make a hydraulic connection of the borehole with the reservoir of hydrocarbons. The longest possible perforation channels are desired, which enable better completion of the reservoir. Currently, for a perforation job, shaped charges of axial symmetry equipped with conical liners made of copper powders are used, which enable achieving a cumulative jet velocity of 7000 m/s, which can penetrate up to 1 m of undisturbed rock in favourable conditions. The modelled shaped charges, featuring the elliptical liners, achieved much better values of pressure, maximum velocity, kinetic energy and channel length within the same time interval as compared to the results of modelling a cumulative jet created by standard shaped charge. However, it should be remembered that in order to confirm the effectiveness of target penetration by modelled shaped charges, their physical models should be fabricated and tested in ground-fields experiments.

PL

Artykuł został opracowany na podstawie wyników modelowania numerycznego ładunków kumulacyjnych z różnymi typami wkładek eliptycznych (trąbkowych). Zamodelowano trzy geometrie ładunków kumulacyjnych z wkładkami eliptycznymi, które porównano do modelu klasycznego ładunku kumulacyjnego z wkładką stożkową. Ładunki porównano pod względem maksymalnego ciśnienia podczas detonacji ładunku, prędkości strumienia kumulacyjnego, uzyskanej energii kinetycznej oraz długości strumienia kumulacyjnego po czasie 15 µs. Celem modelowania ładunków kumulacyjnych z wkładkami eliptycznymi była poprawa parametrów zabiegu perforacji w odwiertach naftowych. Wykonanie perforacji to kluczowy element, dzięki któremu możliwe jest zapoczątkowanie produkcji w danym złożu węglowodorów. Perforacja ma na celu wykonanie serii otworów prostopadłych do osi odwiertu, przebijających ścianki rur okładzinowych, cementu oraz skałę złożową, aby połączyć hydraulicznie otwór wiertniczy i złoże węglowodorów. Pożądane są jak najdłuższe otwory perforacyjne, które wraz ze wzrostem długości lepiej udostępniają złoże. Obecnie do perforacji wykorzystuje się ładunki osiowosymetryczne ze stożkowymi wkładkami kumulacyjnymi wykonanymi z proszków miedzi, które osiągają prędkość strumienia kumulacyjnego na poziomie 7000 m/s i penetrują do 1 m calizny skalnej przy sprzyjających warunkach. Zamodelowane ładunki kumulacyjne z wkładkami eliptycznymi osiągnęły znacznie lepsze wartości ciśnienia, prędkości maksymalnej, energii kinetycznej oraz długości po czasie dla strumienia kumulacyjnego w porównaniu do wyników modelowania strumienia powstałego z klasycznego ładunku kumulacyjnego. Należy jednak pamiętać, że aby potwierdzić skuteczność przebijania celów przez zamodelowane ładunki kumulacyjne, należałoby wykonać ich fizyczne modele i poddać je testom na poligonie doświadczalnym.

5

The Shooting Tests of Target Perforating Ability, Performed on Cast Concrete Cylinders

Habera Łukasz, Hebda Kamil, Koślik Piotr, Sałaciński Tomasz

Central European Journal of Energetic Materials

|

2020

|

Vol. 17, no. 4

584--599

EN

In this paper, the first results of the applicability of shaped charges with a single liner, of a conical and of an axially-symmetric elliptical shape, are compared. The shaped charges were of an analogous type. The outer diameter and the height of the shaped charges were 39 and 42 mm, respectively. The mass of the explosive (flegmatized hexogen) in these charges was 27 g. The charges with the conical liner were commercially available. All liners used in these tests were made according to the same technology, as well as being of the same material, i.e. electrolytic copper. Two series of tests were carried out for shaped charges with the elliptical liner, i.e. 11 and 12 shots, with or without a distance plate between the shaped charge and the concrete shooting model (core), respectively. For comparison, 4 shots for each of these configurations were executed for commercial shaped charges with a conical liner. The distance plate was made of mild steel and its dimensions were 50×50×10 mm. All of the concrete cores used were uniform in the shape of a cylinder, with diameter 160 ±10 mm and height 1200 ±10 mm, and were prepared in a single-batch process. The tests were completed under outdoor conditions at ambient temperature. of 0.1 mm, were used to create 3D numerical visualisation of the perforation channels in the concrete cores created by the tested shaped charges. The 3D images allowed the depths to be measured, together with the volumes and degrees of uniformity of these channels. On the basis of these images, it was determined that the volume of the perforation channels created when using shaped charges with an elliptical liner were in the range 230-557 cm3, while the volumes created by commercial shaped charges were in the range 105-201 cm3. This is because charges with an elliptically shaped liner produced longer perforation channels than their analogues with conical liners. The tested shaped charges enclosing a single liner of an axially-symmetric elliptical shape assures better opening of a hydrocarbon reservoir in the downhole conditions of oil and gas wells, as compared to its analogous traditional form, with a conical liner.

6

Materiały wybuchowe w górnictwie nafty i gazu

Hebda Kamil, Habera Łukasz, Frodyma Antoni

Wiadomości Naftowe i Gazownicze

|

2019

|

R. 22, Nr 4 (246)

8--10

PL

W artykule przedstawiono zastosowanie materiałów wybuchowych w górnictwie nafty i gazu. W szczególności skupiono się na charakterystyce i opisie działania metod z zastosowaniem materiałów wybuchowych, które są najczęściej stosowane w przemyśle naftowym: perforacji oraz szczelinowania gazowego. Krótko przedstawiono również najnowsze osiągnięcia Zakładu Techniki Strzelniczej Instytutu Nafty i Gazu - Państwowego Instytutu Badawczego.

EN

The article presents the use of explosives in oil and gas mining. Particular attention was focused on the characteristics and description of the operation of the methods employing explosives that are most commonly used in the oil industry: perforation and gas fracturing. Also briefly presents the latest achievements of the Shooting Engineering Department in Oil and Gas Institute - National Research Institute.

7

The study of gas fracturing on hard coal samples using propellants

Hebda Kamil, Habera Łukasz, Frodyma Antoni, Koślik Piotr

Nafta-Gaz

|

2019

|

R. 75, nr 6

350--355

EN

The stimulation of deposits using high-energetic materials (propellants) may prove to be an effective method of acquiring methane in the coal basins of Poland. The propellants are a type of explosives which during combustion generate huge volumes of combustion gases at high pressure and temperature, and are able to impact rock structure, thus creating migration paths for methane. Until now, in the Department of Shooting Engineering of the Oil and Gas Institute – National Research Institute, a number of gas fracturing tests have been completed in laboratory scale. The experiments confirmed the ability of high-energy materials to influence the structure of hard coal. However, the setup of the laboratory rocket engine used in experiments forced the combustion products of high-energy materials to influence hard coal samples only from the front, which resulted in creating rather channels, and no model fractures in effect of the gas fracturing process. Therefore, we decided to develop an experimental setup, in which combustion products of high-energy materials would impact the rock in various directions, and create model fractures – not channels. The gas fracturing task was completed within the work on five selected coal samples that have been cored from bigger coal blocks, acquired from the KWK Zofiówka coal mine, operating on methane saturated coal beds, located in the Upper-Silesian Coal Basin in Poland. The series of experiments were performed on experimental fireground, managed by the Institute of Industrial Organic Chemistry, Krupski Młyn Branch. 100-gram charges of inhibited MPH propellant (MPH = low-diameter, heterogeneous) were used in the experiments. During the attempts of initiating propellants, pressure in the testing stand was recorded by means of a 100 MPa pressure sensor. In order to determine the secondary fracturing grid, the hard coal samples were scanned using the CT (computer tomography) method prior to and following the tests on the experimental fireground. Next, the original and secondary fracture grid in the samples were reconstructed using specialized computer software. The analysis of the obtained results confirmed that high-energy materials are able to impact hard coal structure, causing the creation of fractures. Furthermore, the research showed that the orientation and original amount of fractures present in rocks have a very high impact on the creation of fractures in hard coal samples.

PL

Skuteczną metodą pozyskiwania metanu w polskich zagłębiach węglowych może okazać się stymulacja złóż z wykorzystaniem materiałów wysokoenergetycznych (propelantów). Propelanty to materiały wybuchowe, które podczas spalania generują duże objętości gazów prochowych pod wysokim ciśnieniem oraz temperaturą i są w stanie wpływać na strukturę skały – tworząc drogi migracji dla metanu. Dotąd w Zakładzie Techniki Strzelniczej INiG – PIB wykonano szereg prób szczelinowania gazowego na próbkach węgla kamiennego w skali laboratoryjnej. Badania doświadczalne potwierdziły zdolność materiałów wysokoenergetycznych do wpływania na strukturę węgla kamiennego. Jednak układ laboratoryjnego silnika rakietowego wykorzystany do badań wymuszał oddziaływanie produktów spalania materiałów wysokoenergetycznych na próbki węgla kamiennego jedynie frontalne, przez co w wyniku zabiegu szczelinowania gazowego nie powstawały modelowe szczeliny, tylko kanały. Dlatego zdecydowano się opracować układ badawczy, w którym produkty spalania materiałów wysokoenergetycznych oddziaływałyby na skałę w różnych kierunkach. W pracy wykonano zabieg szczelinowania gazowego na wybranych pięciu próbkach węgla, które zostały pobrane w formie rdzenia z większych fragmentów pozyskanych z metanowej kopalni KWK Zofiówka, znajdującej się w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym. Szereg doświadczeń przeprowadzono na poligonie doświadczalnym należącym do Instytutu Przemysłu Organicznego, Oddział w Krupskim Młynie. Do badań wykorzystano 100-gramowe ładunki inhibitowanego paliwa MPH (małogabarytowego paliwa wysokoenergetycznego). Dodatkowo podczas prób inicjacji propelantów prowadzono rejestrację ciśnienia w układzie badawczym za pomocą czujnika ciśnienia 100 MPa. W celu określenia wtórnej sieci spękań – próbki węgla kamiennego przeskanowano tomografem komputerowym przed i po próbach na poligonie doświadczalnym. Następnie zrekonstruowano pierwotną oraz wtórną sieć spękań w próbkach z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania komputerowego. Analiza wyników potwierdziła, że materiały wysokoenergetyczne są w stanie wpływać na strukturę węgla, powodując tworzenie się szczelin. Ponadto badanie wykazało, że bardzo duży wpływ na powstawanie szczelin w próbkach węgla ma ich orientacja oraz ich ilość pierwotnie występująca w skale.

8

Ocena oddziaływania propelantów na wybrane próbki węgla kamiennego

Hebda Kamil, Habera Łukasz, Frodyma Antoni, Koślik Piotr

Nafta-Gaz

|

2019

|

R. 75, nr 12

768--773

PL

Artykuł powstał na podstawie wyników badań szczelinowania gazowego z wykorzystaniem materiałów wysokoenergetycznych (propelantów) na wybranych próbkach węgla kamiennego w laboratoryjnym silniku rakietowym (LSR). Celem badań było sprawdzenie, czy metoda stymulacji przepływu mediów ze złoża do odwiertu naftowego z użyciem propelantów może być skutecznie stosowana przy niekonwencjonalnych nagromadzeniach węglowodorów, jakimi są złoża metanu z pokładów węgla kamiennego (CBM). Szczelinowanie materiałami wysokoenergetycznymi polega na niedetonacyjnym wykonaniu kilku radialnych szczelin w strefie przyodwiertowej o długości do kilku metrów. Szczeliny powstają w wyniku spalania propelantów, które generują duże objętości gazów prochowych pod wysokim ciśnieniem, przez co zostaje przekroczone ciśnienie nadkładu skał w górotworze. Zakres badań obejmował serię prób szczelinowania gazowego wybranych próbek węgla kamiennego na poligonie doświadczalnym. Zabieg szczelinowania wykonano w laboratoryjnym silniku rakietowym, który standardowo służy do badania właściwości stałych paliw wysokoenergetycznych, jednak na potrzeby testów szczelinowania został odpowiednio zmodyfikowany. Próbki węgla wklejono za pomocą żywicy epoksydowej w specjalne stalowe obudowy, dzięki czemu produkty spalania propelantów mogły ingerować w strukturę węgla – szczelinując go. Do badań wykorzystano inhibitowane małogabarytowe paliwo wysokoenergetyczne (MPH) o zmiennej gramaturze. W celu określenia zmian w strukturze węgla próbki przeskanowano tomografem komputerowym przed i po próbach ciśnieniowych. Otrzymane tomogramy zrekonstruowano przy wykorzystaniu specjalistycznego oprogramowania komputerowego na obrazy 3D sieci spękań oraz ich procentową objętość w każdej z badanych próbek. Dodatkowo podczas prób poligonowych rejestrowane było ciśnienie maksymalne w komorze spalania w LSR. Badanie szczelinowania przeprowadzono dla 10 próbek węgla kamiennego, z czego udało się zeszczelinować 7 z nich. Przyrost szczelin w tych próbkach waha się od 9,3% do 332,5%. W przypadku 3 próbek zabieg szczelinowania skończył się niepowodzeniem.

EN

The article is based on the results of gas fracturing with high-energy materials used for selected hard coal samples in a laboratory rocket motor (LRM). The purpose of the research was to check whether the method of stimulating the flow of media from the deposit to the oil well using propellants can be effectively used with unconventional hydrocarbon accumulations such as coalbed methane (CBM). Fracturing with high-energy materials consists in a non-detonative forming of several radial fractures in the near-well bore zone of lengths up to several meters. The fractures are formed as a result of the combustion of propellants which generate large volumes of combustion gases under high pressure, thus exceeding the pressure of overburden rocks. The scope of the research included a series of gas fracturing tests of selected hard coal samples on the testing ground. The carbon samples were glued with special epoxy resin into a special steel pipe, by which the propellant combustion products could affect the coal structure by fracturing. The fracturing treatment was performed in a laboratory rocket motor, which is a standard system for testing the properties of solid high-energy fuels; however, for the purpose of fracturing tests, it has been modified accordingly. The tests were performed with the application of inhibited small-dimension high-energy solid fuel (MPH) with variable weight. In order to determine changes in the coal structure, the samples were scanned with X-ray computed tomography, before and after tests on the testing ground. The obtained tomograms were reconstructed using specialized computer software for 3D images of the fractures system and their percentage volume in each of the coal samples. In addition, during the testing ground tests, the maximum pressure in the combustion chamber in LRM was recorded. The gas fracturing treatments were carried out for 10 hard coal samples, of which 7 were successfully fractured. The growth of fractures in these samples ranged from 9.3% to 332.5%. For 3 samples, the gas fracturing was unsuccessful.

9

Badania temperatury spalania propelantów w układach z przybitką cieczy

Habera Łukasz, Frodyma Antoni, Hebda Kamil, Koślik Piotr

Nafta-Gaz

|

2019

|

R. 75, nr 9

556--560

PL

Celem pracy był bezpośredni pomiar temperatury spalania próbek paliw prochowych (propelantów) mogących znaleźć zastosowanie w pracach szczelinowania gazowego gazonośnych pokładów węgla kamiennego. Eksperymenty prowadzono na specjalnie zaprojektowanym strzałowym stanowisku badawczym. Zaproponowany układ pozwalał na wykonanie rejestracji ciśnień podczas spalania próbek paliw inicjowanych za pomocą zapłonników pirotechnicznych. Na podstawie uzyskanych charakterystyk zmian ciśnienia w czasie p(t) wyznaczone zostały podstawowe parametry użytkowe, tj. temperatura gazów prochowych i maksymalne ciśnienie. Testy polegały na zapłonie wyselekcjonowanych paliw wysokoenergetycznych w warunkach zawodnionych oraz na bezpośrednim pomiarze temperatury i ciśnienia spalania. Wykonano dziewięć pozytywnych prób spalania paliwa wysokoenergetycznego o różnej masie. Głównym wyzwaniem w pracy była próba odpowiedzenia na pytanie czy metoda stymulacji przypływu płynu do odwiertu dobrze sprawdzona w otworach ropnych i gazowych może znaleźć zastosowanie w pracach ułatwiających przepływ metanu w formacjach węglowych. Metoda oparta na szczelinowaniu gazowym z wykorzystaniem materiałów wysokoenergetycznych polega na niedetonacyjnym indukowaniu radialnej siatki szczelin w strefie przyotworowej. Zakres badań obejmuje dziewięć testów strzałowych na poligonie doświadczalnym realizowanych z użyciem różnych paliw prochowych spalanych w warunkach zawodnionych – z tzw. przybitką w postaci cieczy. Stalowe modele strzałowe zostały przygotowane tak, aby imitować warunki typowe dla tych, które dominują w stymulowanej warstwie węgla. Wstępne badania przeprowadzone w INiG – PIB wykazują, iż bezpośrednie przełożenie technologii szczelinowania z użyciem propelantów (znanej z przemysłu naftowego) na zabiegi szczelinowania pokładów węgla kamiennego wydaje się być niemożliwe. Adaptacji do warunków fizycznych zalegania węgla kamiennego wymaga przede wszystkim paliwo propelantowe. Głównym problemem postawionym w artykule jest wybór propelantu, którego temperatura spalania nie przekroczy 580°C, przy której następuje samozapłon metanu. Weryfikacja paliw prochowych (propelantów) mogą- cych znaleźć zastosowanie w procesie szczelinowania gazowego złóż niekonwencjonalnych, a zwłaszcza gazonośnych pokładów węgla będzie realizowana na drodze badań poligonowych z wykorzystaniem komory strzałowej.

EN

The work was aimed at direct measurement of the combustion temperature of powder fuel samples (propellants) that may find application in gas-fracturing works in coal-bed methane strata. The experiments were performed on a purposefully designed blasting test stand. The proposed arrangement enabled recording pressures created during the combustion of propellant samples, ignited by means of pyrotechnic igniters. On the grounds of the obtained pressure change characteristics in time p(t), the basic operating parameters were determined, i.e. the temperature of propellant-generated gases and the maximum pressure. The tests consisted in igniting selected high-energy fuels in water-flooded conditions and in direct temperature and combustion pressure measurements. Nine successful tests of high-energy fuel combustion, featuring various masses, were performed. The goal of the study was to answer the question whether the method which stimulates medium influx to the borehole, well-known for applications in the oil sector, can be applied in coal bed stimulation. The method, based on gas fracturing with the use of high-energy materials, consists in making non-detonation cracking of the rock bed in the shape of several radial fractures in the zone near the borehole. The scope of the study comprises test shots in the testing ground using selected propellant charges. The steel-pipe models were prepared so as to imitate the conditions typical of those dominating in the borehole, and methodology was developed for appropriate evaluation of the test results. Initial studies carried out in Oil and Gas Institute – National Research Institute have proved that direct transformation of fracturing technology with propellants known from the oil industry into coal seams appears to be impossible. First and foremost, the propellant fuel itself requires adaptation to physical conditions of coal deposition. The main issue in the work is selection of the propellant, the combustion temperature of which would not exceed 580°C, at which self-ignition of methane occurs. Verification of powder fuels (propellants) that may find use in gas-fracturing process of unconventional resources, particularly coal-bed methane strata, will be executed by means of fire-ground tests with use of a blasting chamber.

10

Preliminary studies of a selected group of propellants with potential application in dry fracking technology

Hadzik Justyna, Koślik Piotr, Wilk Zenon, Frodyma Antoni, Habera Łukasz

Materiały Wysokoenergetyczne

|

2019

|

T. 11(1)

39--50

EN

The aim of this paper is the selection and study of solid propellants intended for uses associated with the intensification of oil and gas mining, including extraction from shale formations. Results of the study are connected with cooperation with the Department of Shooting Engineering at the Oil and Gas Institute – National Research Institute in Kraków. The basic research is the selection of a group of solid propellants and their modification to the stage where their properties and operating parameters are appropriate for dry fracking. The paper presents research methods for determining the parameters of their propellants in a laboratory-scale rocket motor, e.g. the amount of pressure impulse. Furthermore, an effective electrical system of ignition and a method of appropriate propellant sample inhibition were implemented in order to control the sample combustion process.

PL

Temat pracy związany jest z doborem i badaniami paliw stałych przeznaczonych do zabiegów związanych z intensyfikacją wydobycia ropy i gazu, w tym również z formacji łupkowych. Opracowanie jest rezultatem aktualnej współpracy z Zakładem Techniki Strzelniczej w Instytucie Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy w Krakowie. Podstawowym założeniem badawczym jest wytypowanie grupy paliw stałych, ich badania i modyfikacje do etapu, w którym ich właściwości i parametry użytkowe będą właściwe dla technologii suchego szczelinowania. W pracy zaprezentowano metodykę badawczą dla określenia parametrów wytypowanych paliw w układzie laboratoryjnego silnika, np. wielkości impulsu ciśnienia. Ponadto zaimplementowano skuteczny elektryczny układ inicjacji zapłonu paliw oraz sposób właściwego inhibitowania próbek paliw do badań w celu ukierunkowania procesu spalania próbki.