Ученые из Китайского нефтяного университета разработали интеллектуальную систему, предназначенную для управления водопритоком при подземной газификации угля. Технология позволяет заранее прогнозировать объем воды, который будет поступать в подземный газогенератор, оценивать безопасность участка для газификации и подбирать оптимальный режим подачи воды для максимального выхода водорода.
Подземная газификация представляет собой превращение угля в горючий газ прямо в недрах земли. Через скважины в пласт подают кислород и пар, инициируют высокотемпературное горение, а полученный газ поднимают на поверхность. Вода играет в этом процессе двойную роль. С одной стороны, она является необходимым реагентом для реакций, ведущих к образованию водорода. С другой стороны, ее избыточный приток из водоносных горизонтов способен охладить реакционную зону, ухудшить состав газа, повысить выбросы CO2 и даже привести к остановке процесса. До сих пор не существовало единой системы, которая объединяла бы прогнозирование водопритока, оценку рисков и оперативное управление процессом в реальном времени.
Предложенный китайскими учеными метод состоит из трех взаимосвязанных элементов. Первым из них выступает модель прогнозирования водопритока на основе искусственного интеллекта. Ученые создали гибридную архитектуру, объединившую возможности сверточных нейросетей (CNN), двунаправленных рекуррентных сетей (BiLSTM), механизма внимания (Attention) и метода опорных векторов (SVM). Такая комбинация позволяет одновременно учитывать пространственные характеристики пород, динамику процесса во времени и работать с ограниченными по объему данными. Модель обучили на совокупности геолого-гидродинамических данных на экспериментальном участке в бассейне Сантанху в Синьцзяне. Итоговая точность оказалась рекордно высокой, а коэффициент детерминации достиг 0,95.
Вторым элементом системы являются обновленные критерии оценки безопасности участка. Здесь важно учитывать не только динамический прогноз водопритока, но и геологическую защиту пласта от внешних вод. Для безопасной газификации крышу угольного пласта необходимо изолировать 36-42 метрами плотных пород, а подошва должна быть отделена от водоносного горизонта слоем в 20-30 метров. Эти показатели служат базовыми ориентирами, позволяющими оценить риск прорыва воды в реакционную зону. Объединив такие статические параметры с прогнозом водопритока, ученые построили карты риска, разделив территорию на зоны с низкой, средней и высокой степенью опасности. Для экспериментального участка анализ показал, что ожидаемый водоприток остается ниже критического уровня и составляет примерно 1 м3 воды на тонну угля. Это подтверждает, что участок подходит для проведения подземной газификации.
Третьим компонентом служит оптимизационная модель расчета объема закачиваемой воды. Ученые вывели балансное уравнение, учитывающее потребность процесса в воде и ее поступление из пласта, потери при сгорании угля и приток по скважинам. На этой основе можно подобрать режим закачки для каждой стадии газификации. Так, для условий экспериментального участка с давлением нагнетания 11 МПа и давлением отбора 9 МПа модель показала, что на первом этапе дополнительная подача воды не требуется, тогда как в устойчивой фазе необходимы 120 м3 воды в сутки для достижения оптимального состава газа и максимизации выхода водорода.
Проведенный в ходе исследования гидродинамический анализ позволил выявить ключевые факторы, влияющие на водоприток. Наибольшее значение имеют стадия газификации, температура в зоне реакции и перепад давления. Ученые также установили, что на начальном этапе процесса целесообразно применять плавное снижение давления в добывающей скважине, чтобы минимизировать водоприток и обеспечить стабильный розжиг.
В дальнейшем они планируют добавить в систему параметры экономической эффективности и сформировать крупную промышленную базу данных совместно с компаниями, которые занимаются подземной газификацией.
