Szczelinowanie gazowe gazonośnych pokładów węgla kamiennego badania poligonowe

Podobne dokumenty
Badania poligonowe propelantów obciążonych materiałem podsadzkowym

Wykonanie stymulacji produktywności metanu w otworach Gilowice 1 i Gilowice 2H

Badania zapłonu propelantów na stacjonarnym silniku laboratoryjnym

WYSTĘPOWANIE METANU W POKŁADACH WĘGLA BRUNATNEGO. 1. Wstęp. 2. Metodyka wykonania badań laboratoryjnych próbek węgla na zawartość metanu

Dr hab. inż. Stanisław Nagy, prof. nzw.

WĘGIEL KAMIENNY PODSTAWOWY SUROWIEC POLSKIEJ ENERGETYKI ZASOBY GEOLOGICZNE BILANSOWE

PL B BUP 12/13. ANDRZEJ ŚWIERCZ, Warszawa, PL JAN HOLNICKI-SZULC, Warszawa, PL PRZEMYSŁAW KOŁAKOWSKI, Nieporęt, PL

Badania wstępne wytypowanej grupy paliw o potencjalnych możliwościach ich zastosowania...

NAPRĘŻENIA ŚCISKAJĄCE PRZY 10% ODKSZTAŁCENIU WZGLĘDNYM PRÓBEK NORMOWYCH POBRANYCH Z PŁYT EPS O RÓŻNEJ GRUBOŚCI

METODY BADAŃ I KRYTERIA ZGODNOŚCI DLA WŁÓKIEN DO BETONU DOŚWIADCZENIA Z BADAŃ LABORATORYJNYCH

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

SPRAWOZDANIE Z BADAŃ

This article is available in PDF-format, in colour, at:

BADANIA WŁAŚCIWOŚCI ZESPOŁÓW NAPĘDOWYCH RAKIET OSA

Temat: kruszyw Oznaczanie kształtu ziarn. pomocą wskaźnika płaskości Norma: PN-EN 933-3:2012 Badania geometrycznych właściwości

Numeryczna symulacja rozpływu płynu w węźle

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Opinia na temat przyczyn i sposobu naprawy pęknięć w nawierzchni bieżni stadionu lekkoatletycznego przy ul. Litewskiej w Szczecinie

Charakterystyka naprężeniowo-odkształceniowa dla próbek piaskowca z szorstkimi i gładkimi pęknięciami

Analiza porównawcza sposobu pomiaru jakości spalania gazu w palnikach odkrytych

Parametry wytrzymałościowe łupka miedzionośnego

BADANIA PORÓWNAWCZE PAROPRZEPUSZCZALNOŚCI POWŁOK POLIMEROWYCH W RAMACH DOSTOSOWANIA METOD BADAŃ DO WYMAGAŃ NORM EN

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

ZASTOSOWANIE GEOMETRII INŻYNIERSKIEJ W AEROLOGII GÓRNICZEJ

OKREŚLENIE CIŚNIENIA ZŁOŻOWEGO METANU NA PODSTAWIE POMIARÓW METANONOŚNOŚCI ORAZ BADAŃ SORPCYJNYCH WĘGLA NA PRZYKŁADZIE KWK KRUPIŃSKI

D NAWIERZCHNIA CHODNIKÓW Z KOSTKI BETONOWEJ

Analiza rozwartości mikroszczelin w węglach

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 4

INIEKCYJNE WZMACNIANIE GÓROTWORU PODCZAS PRZEBUDÓW ROZWIDLEŃ WYROBISK KORYTARZOWYCH**** 1. Wprowadzenie

BADANIA POKRYWANIA RYS W PODŁOŻU BETONOWYM PRZEZ POWŁOKI POLIMEROWE

Metody oceny stanu zagrożenia tąpaniami wyrobisk górniczych w kopalniach węgla kamiennego. Praca zbiorowa pod redakcją Józefa Kabiesza

prędkości przy przepływie przez kanał

STATYCZNA PRÓBA SKRĘCANIA

PL B1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE, Kraków, PL BUP 12/17

Pytania (w formie opisowej i testu wielokrotnego wyboru) do zaliczeń i egzaminów

BADANIA SYMULACYJNE PROCESU HAMOWANIA SAMOCHODU OSOBOWEGO W PROGRAMIE PC-CRASH

OKREŚLENIE WPŁYWU WYŁĄCZANIA CYLINDRÓW SILNIKA ZI NA ZMIANY SYGNAŁU WIBROAKUSTYCZNEGO SILNIKA

X POLSKO-NIEMIECKA KONFERENCJA ENERGETYKA PRZYGRANICZNA POLSKI I NIEMIEC DOŚWIADCZENIA I PERSPEKTYWY SULECHÓW, LISTOPAD 2013

Zadanie 1. Zadanie 2.

Materiały pomocnicze do laboratorium z przedmiotu Metody i Narzędzia Symulacji Komputerowej

PL B1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE, Kraków, PL BUP 19/15

SONDA GEOLOGICZNA GEOPROBE

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

EGZAMIN POTWIERDZAJĄCY KWALIFIKACJE W ZAWODZIE Rok 2018 CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

Badanie próbek materiału kompozytowego wykonanego z blachy stalowej i powłoki siatkobetonowej

Metody badań kamienia naturalnego: Oznaczanie wytrzymałości na zginanie pod działaniem siły skupionej

2. Badania doświadczalne w zmiennych warunkach otoczenia

D PRZEPUSTY POD ZJAZDAMI 1. WSTĘP Przedmiot ST Przedmiotem niniejszej specyfikacji technicznej (ST) są wymagania dotyczące wykonania

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

METODYKA POSZUKIWAŃ ZLÓŻ ROPY NAFTOWEJ I GAZU ZIEMNEGO

SPECYFIKACJA TECHNICZNA WYKONANIA I ODBIORU ROBÓT

RM R O Z P O R Z Ą D Z E N I E RADY MINISTRÓW z dnia 8 lipca 2011 r.

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

Rentgenowska mikrotomografia komputerowa w badaniu skał węglanowych

Wpływ gęstości medium na ciśnienie wyjściowe reduktora średniego ciśnienia

WYKORZYSTANIE MES DO WYZNACZANIA WPŁYWU PĘKNIĘCIA W STOPIE ZĘBA KOŁA NA ZMIANĘ SZTYWNOŚCI ZAZĘBIENIA

Wykłady; 20 godz. Ćwiczenia audytoryjne: 15 godz. Ćwiczenia projektowe: 15 godz. Ćwiczenia projektowe: 15 godz.

Temat 3 (2 godziny) : Wyznaczanie umownej granicy sprężystości R 0,05, umownej granicy plastyczności R 0,2 oraz modułu sprężystości podłużnej E

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

MODELOWANIE POŁĄCZEŃ TYPU SWORZEŃ OTWÓR ZA POMOCĄ MES BEZ UŻYCIA ANALIZY KONTAKTOWEJ

Przetworniki ciśnienia typu MBS - informacje ogólne

Numer zgłoszenia:

WYZNACZANIE WYTRZYMAŁOŚCI BETONU NA ROZCIĄGANIE W PRÓBIE ZGINANIA

Temat 2 (2 godziny) : Próba statyczna ściskania metali

ZAKŁAD POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH I SILNIKÓW SPALINOWYCH ZPSiSS WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I LOTNICTWA

TECHNIKI MONITOROWANIA I OBNIŻANIA SIĘ GRUNTU ZWIĄZANYCH Z Z ŁUPKÓW

Katedra Inżynierii Materiałów Budowlanych

Pytania (w formie opisowej i testu wielokrotnego wyboru)- zaliczenie lub egzamin

SZCZEGÓŁOWA SPECYFIKACJA TECHNICZNA PODŁOŻA POD POSADZKI

Badania nośności kasztów drewnianych. 1. Wprowadzenie PROJEKTOWANIE I BADANIA

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 02/15. MAŁGORZATA IWANEK, Lublin, PL MICHAŁ CIUKSZO, Pisz, PL

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

ZMĘCZENIE MATERIAŁU POD KONTROLĄ

POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza. Ćwiczenie nr 3

CZTEROKULOWA MASZYNA TARCIA ROZSZERZENIE MOŻLIWOŚCI BADAWCZYCH W WARUNKACH ZMIENNYCH OBCIĄŻEŃ

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wpływ zawilgocenia ściany zewnętrznej budynku mieszkalnego na rozkład temperatur wewnętrznych

Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo SA. Program Geo-Metan. Przedeksploatacyjne ujęcie metanu z pokładów węgla otworami powierzchniowymi

Odmetanowanie pokładów węgla w warunkach rosnącej koncentracji wydobycia

Zagrożenia środowiskowe na terenach górniczych

(13) B1 (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) PL B1. Fig 1 E21F 17/04 E21C 39/00

Cel zajęć laboratoryjnych Oznaczanie współczynnika nasiąkliwości kapilarnej wybranych kamieni naturalnych.

Praktyczne aspekty pomiaru temperatury punktu rosy wody - wpływ zasady pomiaru, instalacji oraz warunków otoczenia na uzyskiwane wyniki

Zakres wiadomości na II sprawdzian z mechaniki gruntów:

NOWOCZESNE TECHNOLOGIE ENERGETYCZNE Rola modelowania fizycznego i numerycznego

Uwagi na temat stosowania gazów obojętnych (azotu, dwutlenku węgla) do gaszenia pożaru w otamowanym polu rejony wydobywczego

NADZOROWANIE EKSPLOATACJI SYSTEMÓW OBRONY POWIETRZNEJ POD KĄTEM ICH NIEZAWODNOŚCI I BEZPIECZEŃSTWA

ĆWICZENIE 15 WYZNACZANIE (K IC )

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 02/15. MAŁGORZATA IWANEK, Lublin, PL MICHAŁ CIUKSZO, Pisz, PL

BADANIA EKSPERYMENTALNE LEKKIEGO CZOŁGU NA BAZIE WIELOZADANIOWEJ PLATFORMY BOJOWEJ

METODYKA BADAŃ MAŁYCH SIŁOWNI WIATROWYCH

ROBOTY WYKOŃCZENIOWE Przepusty pod zjazdami

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11)

wiedza o gazie z łupków w Europie

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 5

Rozporządzenie Ministra Środowiska 1) z dnia 22 czerwca 2005 r. (Dz. U. Nr 116, poz. 982 ze zm. z 2006 r. Nr 164, poz. 1159)

ZAGROŻENIE WYRZUTAMI GAZÓW I SKAŁ

Transkrypt:

NAFTA-GAZ, ROK LXXII, Nr 12 / 2016 DOI: 10.18668/NG.2016.12.08 Łukasz Habera Instytut Nafty i Gazu Państwowy Instytut Badawczy Szczelinowanie gazowe gazonośnych pokładów węgla kamiennego badania poligonowe Celem prezentowanych badań jest próba odpowiedzi na pytanie, czy metoda stymulacji przypływu medium do odwiertu, znana z zastosowań w przemyśle naftowym, może zostać wykorzystana w stymulacji gazonośnych pokładów węgla kamiennego. Rozważana metoda, oparta na szczelinowaniu gazowym z użyciem materiałów wysokoenergetycznych (propelantów), polega na niedetonacyjnym wykonaniu sieci spękań calizny skalnej w postaci kilku radialnych szczelin w strefie otworu udostępniającego. W artykule przedstawiono rezultaty pierwszych prób strzałowych na wybranych próbkach węgla kamiennego. W tym celu przygotowano stalowo-betonowe modele zbliżające warunki testów do otworopodobnych, opracowano metodykę badawczą służącą oszacowaniu efektów eksperymentów oraz przeprowadzono serię testów strzałowych na poligonie doświadczalnym. Efekty prób szczelinowania próbek węglowych z wykorzystaniem propelantów przedstawiono graficznie w formie rentgenogramów. Słowa kluczowe: propelanty, szczelinowanie gazowe, metan z węgla. Gas fracturing of coalbed methane strata field testing The research presented in the work is an attempt to respond to the question, of whether the medium inflow stimulation method, already known from oil and gas industry applications, can be useful for stimulation of coalbed methane strata. The method in question, is based on gas fracturing with the use of high-energetic materials (propellants), it consists in non-explosive performance of rock matrix fracture network, in the form of several radial fractures within near-bore zone of borehole. The work presents results of initial shot attempts done on selected samples of hard coal. To this end several steel and concrete research models have been prepared, making the test conditions closer to simulated borehole conditions. A research methodology, serving estimation of experimental results was developed, and several shot test on an experimental fireground were executed. The effects of hard coal samples fracturing tests using propellants, are shown in graphical form, as X-ray images. Key words: propellants, gas fracturing, coalbed methane. Wprowadzenie Największe udokumentowane zasoby metanu zalegającego w pokładach węgla kamiennego w Polsce występują w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym [11]. Geologiczne złoża metanu na tym obszarze szacowane są na poziomie 250 mld m 3. Zasoby bilansowe metanu wynoszą 95 mld m 3, w tym z obszarów kopalń 29,8 mld m 3 [10]. Są to znaczne ilości surowca, którym należy się zainteresować w kontekście pozyskania i jego bezpiecznej eksploatacji. Jednak, z uwagi na bardzo niską przepuszczalność formacji węglowej, taką akumulację węglowodorów możemy nazwać złożem niekonwencjonalnym, wymagającym szczególnego sposobu udostępnienia. Najbardziej rozpowszechnioną metodą oddziaływania na gazonośny pokład węgla w kontekście pozyskania metanu jest zabieg obniżenia ciśnienia w złożu przez odprężenie górotworu, spowodowane odwodnieniem pokładów węgla. Po obniżeniu ciśnienia w górotworze do wartości izotermy sorpcji następuje proces uwolnienia zaabsorbowanego metanu [5]. Znikoma przepuszczalność skały węglowej wymusza jednak poszukiwanie dodatkowych, bardziej efektywnych metod stymulacji pokładów węgla umożliwiających przepływ uwolnionego metanu w złożu. Odpowiedzią na tak postawiony problem może być zastosowanie technologii szczelinowania gazowego pokładów węgla z użyciem propelantów. 1063

NAFTA-GAZ Metoda badawcza Zaproponowana metoda badawcza polega na wizualnej ocenie spękań próbki węgla kamiennego wywołanych odpaleniem ładunku propelantowego w warunkach poligonowych. Próbki węgla po zabiegu szczelinowania gazowego zostaną poddane ocenie wizualnej natychmiast po wykonaniu testu strzałowego oraz później na podstawie rentgenogramów pochodzących ze skanowania tomografem komputerowym. Dodatkowe informacje na temat przebiegu testów szczelinowania w warunkach laboratoryjnych uzyskiwane są za pomocą układu mierzącego i rejestrującego przebieg zmian ciśnieniowych, na podstawie których odtwarzany jest profil narastania ciśnienia. Celem testów strzałowych było wykonanie prób szczelinowania gazowego próbek węgla kamiennego przy użyciu ładunków propelantowych i zachowaniu warunków badania zbliżonych jak najbardziej do rzeczywistych. Prace z użyciem materiałów wysokoenergetycznych prowadzono na poligonie strzałowym w specjalnie zaprojektowanych i wykonanych stanowiskach betonowo-stalowych. Schemat układu badawczego przedstawiono na rysunku 1. Próbkę węgla kamiennego z odwierconym otworem na ładunek propelantowy umieszczano w plastikowym pojemniku o pojemności 65 litrów i zalewa- no betonem, który po wysezonowaniu pełnił rolę stabilizacyjną i przeciwdziałał całkowitemu zdefragmentowaniu węgla. W górnej części modelu badawczego usytuowano stalową rurkę, przez którą osadzono ładunek propelantowy w węglu i wyprowadzono na zewnątrz przewody elektryczne linii strzałowej. Przepust prądowy sporządzono przy pomocy świecy samochodowej umieszczonej w szczytowej części rurki. Tuż poniżej wykonano prostopadłą kryzę pomiarową, do której wkręcono piezoelektryczny przetwornik ciśnienia. Rys. 1. Schemat betonowo-stalowego układu badawczego wykorzystanego do prób szczelinowania gazowego na poligonie strzałowym Przygotowanie ładunków propelantowych do testów strzałowych Badania strzałowe realizowano przy użyciu ładunków propelantowych składających się z mieszanki rodzimych paliw prochowych typu Szafir i Szmaragd. Ładunki prochowe otrzymały finalny cylindryczny kształt na skutek matrycowego zaprasowania pod prasą hydrauliczną. W górnej części ładunku nawiercono otwór, w którym umieszczono zapłonnik elektryczny. Całość zabezpieczono pod względem wodoszczelności płaszczem termokurczliwym. Widok paliwa, fazy przygotowawczej i końcowy kształt ładunku zamieszczono na rysunku 2. Podstawowe dane dotyczące ładunków propelantowych przygotowanych na potrzeby prób strzałowych szczelinowania próbek węgla kamiennego zawarto w tablicy 1. Tablica 1. Charakterystyka ładunków propelantowych obejmująca masę próbki, wysokość, gęstość i objętość paliwa m [g] h [mm] ρ [g/cm 3 ] V [cm 3 ] 60,5 99,75 1,46 41,0 61,6 94,53 1,57 39,2 62,2 98,40 1,52 49,9 Rys. 2. Przygotowanie ładunków propelantowych do prób poligonowych: A zaprasowany granulat paliwa typu Szafir/ Szmaragd z wykonanym otworem pod układ inicjujący, B zaprasowane ładunki propelantowe uzbrojone i zabezpieczone przed zawilgoceniem, C granulat paliwa prochowego Szafir, D pojedynczy ładunek propelantowy 1064 Nafta-Gaz, nr 12/2016

artykuły Na przygotowanych modelach betonowo-stalowych przeprowadzono w warunkach otwartego poligonu trzy testy strzałowe polegające na odpaleniu ładunku propelantowego w otoczonej betonem bryle węgla kamiennego. Efekty każdego z testów określono na podstawie: obserwacji wizualnej spękań, oceny wizualnej rentgenogramów komputerowych oraz zarejestrowanych profili narastania ciśnienia. Test strzałowy pierwszy Serię eksperymentów strzałowych otwiera test nr 1, polegający na odpaleniu w bryle węgla ładunku propelantowego o masie 60,5 g. Betonowo-stalowy model strzałowy przetransportowano na poligon i przystąpiono do prac przygotowawczych polegających na: 1) uzupełnieniu wodą, jako medium nieściśliwym wolnej przestrzeni w rurze stalowej, 2) zapuszczeniu ładunku propelantowego do wnętrza modelu strzałowego, 3) zaślepieniu rury stalowej głowicą z króćcem pomiarowym przepustem prądowym linii strzałowej. Profil narastania ciśnienia w trakcie testu zarejestrowano za pomocą piezoelektrycznego przetwornika ciśnienia i oscyloskopu. W formie graficznej został on zaprezentowany na rysunku 3. (1) Zarejestrowany pik początkowy ciśnienia P z = 3,89 MPa (1) w momencie czasowym t z = 0,86 s pochodzi od zainicjowania zapłonnika, który w dalszej kolejności pobudza do zapłonu właściwy ładunek propelantowy. Po czasie t (1) max = 0,32 s ciśnienie spalania propelantu osiąga wartość maksymalną, równą P (1) max = 4,47 MPa. Od tego momentu następuje łagodny spadek ciśnienia gazów w badanym układzie, aż do całkowitej jego relaksacji w chwili czasowej t (1) kon = 1,13 s, co spowodowane zostało rozszczelnieniem modelu badawczego. Liczne spękania i uszkodzenia części cementowej modelu ułatwiły wydobycie badanej próbki węgla z płaszcza stabilizującego, po czym poddano ją skanowaniu rentgenowskim tomografem komputerowym w celu potwierdzenia powstałych szczelin bądź wykluczenia takiego efektu. Wybrane rentgenogramy próbki nr 1 przedstawiono na rysunku 4. Uzyskany efekt skanowania tomografem komputerowym ma dwojaką naturę. Jeden rezultat to seria rentgenogramów pozwalająca prezentować badany obiekt w formie graficznej na płaszczyźnie tnącej w każdej z osi kartezjańskiego układu współrzędnych. Drugim efektem jest przyporządkowanie każde- Cześć eksperymentalna badania strzałowe Ciśnienie [MPa] 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Czas [s] Rys. 3. Profil narastania ciśnienia w eksperymencie strzałowym nr 1 mu elementowi badanej przestrzeni konkretnej liczby w skali Hounsfielda (HU) odpowiadającej wskaźnikowi osłabienia radiologicznego w danym punkcie. Analizując rentgenogramy z pierwszego testu, można zaobserwować powstanie jednej wyraźnej szczeliny zlokalizowanej z lewej strony próbki, rozciągającej się ukośnie od nawierconego kanału centralnego do krańca bryły. Z rentgenogramów odczytano średnią długość szczeliny, która oscylowała w przedziale 8,1 12,7 cm. Zarejestrowane dla tych punktów przestrzeni stopnie Hounsfielda (HU) silnie polaryzowały wartości odczytywane w szczelinie i w jej bezpośrednim sąsiedztwie, co jest wywołane dużą zmianą współczynnika osłabienia radiologicznego. Odczytane wartości w skali (HU) dla dowolnych arbitralnie wybranych punktów calizny bryły węglowej zamykały się w przedziale 131 244 (HU), a w miejscach, które według rentgenogramów wskazywałyby na powstanie szczelin, stopnie (HU) przybierały wartości ujemne 90 do 50 (HU). Rys. 4. Seria rentgenogramów z testu nr 1. Wybrane obrazy cyfrowe bryły węgla zarejestrowane w interwałach co 5 mm wzdłuż osi x Nafta-Gaz, nr 12/2016 1065

NAFTA-GAZ Ciśnienie [MPa] 7 6 5 4 3 2 1 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Czas [s] Rys. 5. Profil ciśnienia obrazujący dynamikę zjawiska spalania propelantu w teście szczelinowania gazowego próbki węgla nr 2 Test strzałowy drugi Do przeprowadzenia drugiego testu szczelinowania gazowego próbki węgla kamiennego zapewniono identyczne warunki techniczne jak w eksperymencie poprzednim. Próbkę węgla stabilizowano płaszczem cementowym, a ładunek propelantowy usytuowano centralnie w modelu badawczym poprzez pionowo nawiercony otwór, który posłużył również do przeprowadzenia linii balistycznej. Przygotowany do testu ładunek propelantowy charakteryzował się następującymi parametrami: waga m = 61,6 g, wysokość h = 94,53 mm, gęstość ρ = 1,57 g/cm 3, objętość V = 39,2 cm 3. Przebieg zmian ciśnieniowych zarejestrowanych w czasie trwania testu przedstawiono na rysunku 5. Podobnie jak to miało miejsce w poprzednim eksperymencie strzałowym, zarejestrowany pik początkowy ciśnienia P z = 4,59 MPa w momencie czasowym t z = 0,21 s po- (2) (2) chodzi od zainicjowania zapłonnika, którego zadaniem jest dalsze pobudzenie ładunku propelantowego. W przedziale czasowym t (2) max = < 0,49 0,77 s > ciśnienie spalania propelantu chwilowo ustabilizowało się na stałym poziomie ~ P (2) max = 6,1 MPa. Od tego momentu następuje łagodny spadek ciśnienia gazów w badanym układzie, aż do całkowitej jego relaksacji w chwili czasowej t (2) kon = 1,59 s, co spowodowane jest rozszczelnieniem modelu badawczego w wyniku zniszczenia płaszcza cementowego. Wybrane rentgenogramy próbki węgla kamiennego, zeskanowanej tomografem komputerowym po ukończeniu testu szczelinowania gazowego nr 2, przedstawiono na rysunku 6. Efektem próby strzałowej na modelu betonowo-stalowym jest powstanie dwóch szczelin w badanej bryle węgla kamiennego. Obie szczeliny zlokalizowane są w górnej części bryły i rozciągają się ukośnie ku dołowi. Zasięg pierwszej szczeliny nie przekracza 6,2 cm. Szczelina druga mierzy 12,1 cm. Zarejestrowane zmiany gęstości badanej próbki węglowej wyrażone w stopniach Hounsfielda (HU) przedstawiały się następująco: dla calizny bryły 127 199 (HU), dla obszaru spękań 201 do 30 (HU). Rys. 6. Wybrane rentgenogramy próbki węgla kamiennego po ukończeniu testu strzałowego nr 2. Na rysunek składa się sekwencja obrazów cyfrowych zarejestrowanych w interwałach co 5 mm wzdłuż osi x Test strzałowy trzeci Eksperyment trzeci był ostatnim z zaplanowanych testów strzałowych i zamykał serię badań na poligonie. Analogicznie do dwóch poprzednich testów badaną bryłę węgla kamiennego zatopiono w płaszczu cementowym. Model strzałowy uzbrojono w ładunek propelantowy o wadze 62,2 g. Wolną przestrzeń w modelu wypełniono wodą i szczelnie zamknięto głowicą wyposażoną w króciec pomiarowy i przejście prądowe. Profil zmian ciśnieniowych w eksperymencie strzałowym nr 3, zarejestrowany za pomocą czujnika piezorezystancyjnego umieszczonego w głowicy modelu strzałowego, przedstawiono na rysunku 7. Profil ciśnienia w eksperymencie trzecim również otwiera pik zapłonnika P z 3) = 1,69 MPa w momencie czasowym t z (3) = 0,11 s pochodzi on od zainicjowania zapłonnika, który w dalszej kolejności pobudza do zapłonu właściwy ładunek propelantowy. Po cza- 1066 Nafta-Gaz, nr 12/2016

artykuły sie t (3) max = 1,35 s ciśnienie spalania propelantu osiąga wartość maksymalną, równą P (3) max = 5,53 MPa. Od tej chwili ciśnienie zaczyna przybierać niższe wartości, by nagle spaść do poziomu bliskiego zeru w momencie czasowym t (3) kon = 1,52 s. Zakończeniu testu strzałowego towarzyszyła nieoczekiwana fragmentacja części betonowej modelu badawczego. Na rysunku 8 prezentowane są rentgenogramy próbki węgla kamiennego nr 3 ukazujące stan spękania bryły wskutek poddania jej działaniu ładunku propelantowego. Każdy z rysunków jest sekwencją obrazów cyfrowych pokazanych w interwałach odpowiednio wzdłuż osi x. Efekt szczelinowania gazowego testu strzałowego nr 3 odbiega od rezultatów obserwowanych w dwóch poprzednich eksperymentach. Analiza rentgenogramów pozwala stwierdzić występowanie wielu drobniejszych szczelin o mniejszej rozwartości niż zarejestrowane w testach 1 i 2. Znaczna ilość szczelin układa się prostopadle do osi kanału centralnego, w którym umieszczony był ładunek propelantowy, nieliczne powstają w płaszczyźnie do nich prostopadłej, rozciągając się z pionie bryły. Wspólnym mianownikiem wszystkich przeprowadzonych testów jest zbliżony poziom stopni Hounsfielda (HU) odczytany dla calizny bryły w przedziale 113 251 (HU) i dla obszaru spękań 220 do 50 (HU). Ciśnienie [MPa] 6 5 4 3 2 1 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Czas [s] Rys. 7. Profil ciśnienia obrazujący dynamikę zjawiska spalania propelantu w teście szczelinowania gazowego próbki węgla nr 3 Rys. 8. Seria rentgenogramów z testu nr 3. Wybrane obrazy cyfrowe próbki węgla po teście szczelinowania przedstawiające przekroje poprzeczne bryły w odległościach równych 10 mm wzdłuż osi x Podsumowanie i wnioski 1. Zaproponowano metodę badawczą polegającą na wizualnej ocenie spękań próbki węgla kamiennego wywołanych odpaleniem ładunku propelantowego w warunkach poligonowych. Próbki węgla po zabiegu szczelinowania gazowego zostały poddane wstępnym oględzinom natychmiast po wykonaniu testu strzałowego, a następnie dokonano oceny spękań na podstawie rentgenogramów pochodzących ze skanowania tomografem komputerowym. Dla każdego z testów wykreślono profil ciśnienia na podstawie danych pomiarowych uzyskanych za pomocą układu mierzącego i rejestrującego przebieg zmian ciśnieniowych. 2. Opracowano i wykonano układ badawczy, w którym próbkę węgla kamiennego z wywierconym otworem na ładunek propelantowy umieszczano w plastikowym naczyniu o pojemności 65 litrów i zalewano betonem. Po wysezonowaniu płaszcza betonowego układ pełnił rolę stabilizacyjną i przeciwdziałał całkowitej fragmentacji badanych brył węglowych. Przygotowano próbki węgla poprzez nawiercenie otworów, w których umieszczono ładunki propelantowe. Kanały wykonano wiertłem rdzeniowym o średnicy 35 mm, głębokości zaś zamykały się w przedziale 150 190 mm, w zależności od grubości bryły. 3. Przygotowano ładunki propelantowe do testów strzałowych. Badania strzałowe zrealizowano przy użyciu ładunków propelantowych składających się z mieszanki rodzimych paliw prochowych typu Szafir i Szmaragd. Ła- Nafta-Gaz, nr 12/2016 1067

NAFTA-GAZ dunki prochowe otrzymały finalny cylindryczny kształt na skutek matrycowego zaprasowania pod prasą hydrauliczną. W górnej części ładunku nawiercono otwór, w którym umieszczono zapłonnik elektryczny. Całość zabezpieczono pod względem wodoszczelności płaszczem termokurczliwym. 4. Przeprowadzono serię prób szczelinowania gazowego próbek węgla kamiennego ładunkami propelantowymi przy zachowaniu warunków badania zbliżonych do rzeczywistych. Prace z użyciem materiałów wysokoenergetycznych prowadzono na poligonie strzałowym w specjalnie zaprojektowanych i wykonanych stanowiskach betonowo-stalowych. 5. Wykonano skanowania próbek węgla kamiennego poddanych działaniu ładunków propelantowych. Z uwagi na trudności w jednoznacznej ocenie wielkości i charakteru uzyskanych spękań wyłącznie na podstawie oględzin wizualnych próbki, posiłkowano się tomografią rentgenowską, dzięki której uzyskano obrazy cyfrowe próbek węgla poddanych oddziaływaniu ładunków propelantowych. 6. Rezultatem testów strzałowych na modelach betonowo-stalowych jest uzyskanie serii spękań brył węgla kamiennego poddanych szczelinowaniu gazowemu w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. W dwóch pierwszych testach zaobserwowano powstanie wyraźnych, choć pojedynczych szczelin o rozciągłości od 6,2 do 12,7 cm i rozwartości nieprzekraczającej 0,45 mm. Efektem trzeciej próby strzałowej jest uzyskanie wielu drobniejszych szczelin o mniejszych zasięgach i rozwartościach. Z uwagi na fakt, iż warunki eksperymentu były takie same dla wszystkich testów, a badany materiał węglowy pochodził z jednej kopalni (z tego samego pokładu węglowego), wytłumaczenie i uzasadnienie odmiennego charakteru spękań jest obecnie niemożliwe. Z pewnością pomocne w tym względzie będą wyniki dalszych prac, które są kontynuowane na szerszej grupie paliw prochowych. Prosimy cytować jako: Nafta-Gaz 2016, nr 12, s. 1063 1068, DOI: 10.18668/NG.2016.12.08 Artykuł nadesłano do Redakcji 2.11.2016 r. Zatwierdzono do druku 25.11.2016 r. Przedstawione w artykule badania zostały zrealizowane w ramach projektu badawczego GasDrain (RFCR-CT-2014-00004 WP 2, zadanie 2.2) współfinansowanego przez Komisję Europejską oraz Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Literatura [1] Brzóska K.: Gęstość węgla kamiennego. W: Wybrane zagadnienia z fizykochemii węgla kamiennego, pod redakcją G. Ceglarskiej-Stefańskiej. Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2003, s. 7 53. [2] Ceglarska-Stefańska G.: Fizykochemiczne czynniki wpływające na proces sorpcji/desorpcji CH4 z węgli kamiennych. Wydawnictwo AGH, Kraków 2000, s. 179 200. [3] Ceglarska-Stefańska G., Nodzeński A., Hołda S.: Badania układu węgiel gaz w aspekcie pozyskiwania metanu i sekwestracji CO 2. Wydawnictwo IGSMiE PAN, Kraków 2007, t. 23, z. 3, s. 51 59. [4] Czerw K., Ceglarska-Stefańska G.: Dynamika deponowania gazów kopalnianych w strukturze porowatej węgla kamiennego. Gospodarka Surowcami Mineralnymi 2008, t. 24, z. 3/3, s. 57 67. [5] Gonet A., Nagy S., Rybicki C., Siemek J., Stryczek S., Wiśniowski R.: Technologia wydobycia metanu z pokładów węgla (CBM). Górnictwo i Geologia 2010, tom 5, zeszyt 3, s. 5 25. [6] Habera Ł.: Badania zapłonu propelantów na stacjonarnym silniku laboratoryjnym. Nafta-Gaz 2014, nr 11, s. 778 783. [7] Hadro J., Wójcik I.: Metan pokładów węgla zasoby i eksploatacja. Przegląd Geologiczny 2013, vol. 61, s. 404 410. [8] Kędzior S., Hadro J., Kwarciński J., Nagy S., Młynarczyk M., Rostkowski R., Zalewska E.: Warunki naturalne występowania i metody eksploatacji metanu pokładów węgla w wybranych zagłębiach węglowych USA oraz możliwości rozwoju eksploatacji tego gazu w Polsce. Sprawozdanie z wyjazdu szkoleniowego do USA. Przegląd Geologiczny 2007, vol. 55, s. 565 570. [9] Koślik P., Habera Ł.: Badania poligonowe propelantów obciążonych materiałem podsadzkowym. Nafta-Gaz 2016, nr 5, s. 311 315, DOI: 10.18668/NG.2016.05.01. [10] Krzystolik P., Skiba J.: Gospodarcze wykorzystanie metanu z pokładów węgla w warunkach polskich. Polityka Energetyczna 2009, t. 12, z. 2/2, s. 319 332. [11] Kwarciński J., Hadro J.: Metan pokładów węgla na obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Przegląd Geologiczny 2008, vol. 56, s. 486 490. [12] Szymczak K., Gawor T., Wolszakiewicz T.: Materiały wysokoenergetyczne. Metodyka badań liniowej szybkości spalania stałych paliw rakietowych. Tom I, Warszawa 2009, s. 107 116. [13] Wolszakiewicz T.: Badania balistyczne i wytrzymałościowe stałych paliw rakietowych w aspekcie prawidłowości ich zapłonu oraz możliwości występowania sytuacji awaryjnych pracy silników rakietowych. Instytut Przemysłu Organicznego, Warszawa 2013. [14] Żyła M.: Układ węgiel kamienny metan w aspekcie desorpcji i oddziaływania metanu z gazów kopalnianych. Wydawnictwo AGH, Kraków 2000. Dr inż. Łukasz Habera Adiunkt w Zakładzie Techniki Strzelniczej. Instytut Nafty i Gazu Państwowy Instytut Badawczy ul. Lubicz 25 A 31-503 Kraków E-mail: lukasz.habera@inig.pl 1068 Nafta-Gaz, nr 12/2016