Газовая Промышленность 9.2022

Научная статья

УДК 544.537:622.324.5
(UDK 544.537:622.324.5)

Для получения доступа к статьям

Авторизуйтесь

ОХРАНА ТРУДА И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ (OCCUPATIONAL AND INDUSTRIAL SAFETY)

ДИСТАНЦИОННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ПОДЖИГ ОТКРЫТОГО ФОНТАНИРОВАНИЯ ГАЗОВОЙ СКВАЖИНЫ

(REMOTE LASER IGNITION OF UNCONTROLLED BLOWOUT FROM A GAS WELL)

В лабораторных условиях смоделирован вертикально направленный поток метана с механической примесью частиц песка различного размера. Расчетно определены и экспериментально подтверждены критериальные параметры излучения иттербиевого непрерывного волоконного лазера с длиной волны 1,07 мкм и выходной мощностью 1 кВт, а также время его воздействия, обеспечивающие стабильное воспламенение газовой смеси воздуха и метана от разогретых в поле лазерного излучения частиц песка. Представлена кинограмма реального процесса развития воспламенения воздушно-газовой смеси в лабораторных условиях. Приведены результаты расчетной оценки температурного критерия воспламенения газовой смеси, времени воздействия излучением для достижения данного критерия, а также зависимости скорости частиц различных размеров от высоты в потоке газовой смеси воздуха и метана. Показаны распределения объемной доли метана в газовом потоке на реальной аварийной газовой скважине и в области, где возможно воспламенение. Продемонстрированы расчетные распределения объемной доли метана и скоростей частиц песка с различными размерами вдоль оси газового потока на реальной аварийной газовой скважине с расходом 1,5 . 106 м3 / сут (около 17 м3 / с). Определена угловая скорость сканирования лазерным излучением с безопасного расстояния, необходимая для удерживания в поле этого излучения частиц, обладающих наибольшей скоростью, в течение времени, требующегося для воспламенения воздушно-метановой газовой смеси. Указаны основные характеристики возможного специализированного мобильного лазерного комплекса, способного оперативно решать задачу по дистанционному поджигу открытого аварийного фонтанирования газовой скважины.

Vertical methane flow containing sand solids of variable grading was simulated in the laboratory environment. The criterion parameters of emission at a wavelength of 1.07 μm were calculated and experimentally verified for an output power of 1 kW in respect to the continuous-wave ytterbium fibre laser, as well as the emission exposure time enabling stable ignition of the methane-air mixture generated by heated sand particles in the laser emission field. Motion record of ignition propagation process is presented for gas-air mixture in the laboratory environment. Estimated results of the temperature criterion for gas mixture ignition, the time of emission exposure required to achieve this criterion, as well as the correlation between velocity of variously-sized particles and their height in the flow of methane-air mixture are presented. Distributions of methane volume fraction both in the gas flow of the actual blowing out gas well and in the area of potential ignition are shown. Estimated distributions of methane volume fraction and velocities of variously-sized particles along the gas flow axis of the actual blowing out gas well at 1.5 . 106 m3/day (about 17 m3/s) gas flow rate are provided. Angular scanning rate was determined for laser emission from a safe distance, which is necessary to keep the particles of the highest velocity in the laser emission field for the time required to ignite the methane-air mixture. The basic performance data were specified for a special-purpose portable laser station suitable for remote laser ignition of accidental uncontrolled blowout from a gas well.

ЛАЗЕР, МЕТАН, ГАЗОВЫЙ ПОТОК, ЧАСТИЦА ПЕСКА, ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ, ВОСПЛАМЕНЕНИЕ

LASER, METHANE, GAS FLOW, SAND PARTICLE, EMISSION INTENSITY, IGNITION

С.В. Гвоздев, к.ф.-м.н., АО «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований» (Троицк, Россия), gsv@triniti.ru
В.Ю. Дубровский, АО «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований», dubrov@triniti.ru
А.Г. Красюков, к.ф.-м.н., АО «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований», krasukov@triniti.ru
Р.Е. Романов, АО «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований», romanov@triniti.ru
Д.Д. Метляев, АО «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований», metlyaev@triniti.ru
А.Ю. Лысиков, к.ф.-м.н., АО «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований», lysikov@triniti.ru
В.К. Рерих, АО «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований», bumpepux@triniti.ru
Г.В. Смирнов, АО «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований», smirgen@triniti.ru
М.Д. Таран, д.ф.-м.н., АО «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований», taran@triniti.ru

S.V. Gvozdev, PhD in Physics and Mathematics, JSC State Research Center of the Russian Federation Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research (Troitsk, Russia), gsv@triniti.ru
V.Yu. Dubrovskii, JSC State Research Center of the Russian Federation Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research, dubrov@triniti.ru
A.G. Krasyukov, PhD in Physics and Mathematics, JSC State Research Center of the Russian Federation Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research, krasukov@triniti.ru
R.E. Romanov, JSC State Research Center of the Russian Federation Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research, romanov@triniti.ru
D.D. Metlyaev, JSC State Research Center of the Russian Federation Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research, metlyaev@triniti.ru
A.Yu. Lysikov, PhD in Physics and Mathematics, JSC State Research Center of the Russian Federation Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research, lysikov@triniti.ru
V.C. Roerich, JSC State Research Center of the Russian Federation Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research, bumpepux@triniti.ru
G.V. Smirnov, JSC State Research Center of the Russian Federation Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research, smirgen@triniti.ru
M.D. Taran, DSc in Physics and Mathematics, JSC State Research Center of the Russian Federation Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research, taran@triniti.ru

Патент № 2317508 Российская Федерация, МПК F41C 7/02 (2006.01), F42B 12/44 (2006.01). Средство дистанционного поджигания вредных газообразных горючих выбросов и патрон метательного устройства средства дистанционного поджигания вредных газообразных горючих выбросов: № 2006113284/02: заявл. 19.04.2006: опубл. 20.02.2008 / Абрамов Ю.Б., Бутенко А.И., Вареных Н.М. и др.; заявитель ГУП «Конструкторское бюро приборостроения» // Yandex.ru: патенты. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2317508C1_20080220 (дата обращения: 05.08.2022).

Правила безопасности при эксплуатации конденсатопроводов и магистральных трубопроводов для сжиженных газов. М.: Недра, 1978. 112 с.

Российская Федерация. Законы. Об оружии: федер. закон от 13.12.1996 № 150-ФЗ: послед. ред. // КонсультантПлюс: сайт. URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_12679/ (дата обращения: 05.08.2022). Режим доступа: для зарегистрир. пользователей.

Патент № 2753833 Российская Федерация, МПК E21B 41/00 (2006.01). Способ дистанционного лазерного поджига открытого фонтанирования газовой скважины: № 2020136357: заявл. 03.11.2020: опубл. 23.08.2021 / Гвоздев С.В., Востриков В.Г., Дубровский В.Ю. и др.; заявитель АО «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований» // Yandex.ru: патенты. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU2753833C1_20210823 (дата обращения: 05.08.2022).

Старик А.М., Титова Н.С. О возможности интенсификации цепных реакций в горючих смесях при возбуждении электронных состояний молекул O2 лазерным излучением // Доклады Академии наук. 2003. Т. 391, № 4. С. 471–477.

Tanoff M.A., Smooke M.D., Teets R.E., Sell J.A. Computational and experimental studies of laser-induced thermal ignition in premixed ethyleneoxidizer mixtures // Combust. Flame. 1995. Vol. 103, No. 4. P. 253–280. DOI: 10.1016/0010-2180(95)00098-4.

Trott W.M. CO2-laser-induced deflagration of fuel/oxygen mixture // J. Appl. Phys. (Melville, NY, U.S.). 1983. Vol. 54, No. 1. P. 118–130. DOI: 10.1063/1.331737.

Молин Ю.Н., Панфилов В.Н., Петров А.К. Инфракрасная фотохимия / отв. ред. Б.М. Смирнов. Новосибирск: Наука, 1985. 254 с.

Chou M., Zukowsci T.J. Ignition of H2/O2/NH3, H2/air/NH3 and CH4/O2/NH3 mixtures by excimer-laser photolysis of NH3 // Combust. Flame. 1991. Vol. 87, No. 2. P. 191–202. DOI: 10.1016/0010-2180(91)90169-C.

Phouc T.X., White F.P. Laser-induced spark ignition of CH4/air mixtures // Combust. Flame. 1999. Vol. 119, No. 3. P. 203–216. DOI: 10.1016/S0010-2180(99)00051-6.

Козинцев В.И., Белов М.Л., Городничев В.А., Федотов Ю.В. Лазерный оптико-акустический анализ многокомпонентных газовых смесей. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 351 с.

Пирвердян А.М. Защита скважинного насоса от газа и песка. М.: Недра, 1986. 120 с.

Abramov JB, Butenko AI, Varenykh NM, Zamarakhin VA, Kirillov JN, Sporykhin AI. Means for remote ignition of harmful gaseous combustible ejections and cartridge of launching device for remote ignition of harmful gaseous combustible ejections. RU2317508 (Patent) 2008.

All-Union Scientific Research Institute of Natural Gases and Gas Technologies. Safety Rules for Operation of Condensate Pipelines and Liquefied Gas Main Pipelines. Moscow: Subsoil [Nedra]; 1978. (In Russian)

Federation Council [Soviet Federatsii]. Federal Law No. 150-FZ dated 13 December 1996 (latest edition). About weapon. Available from: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_12679/ [Accessed: 5 August 2022]. (Accessible for registered users; in Russian)

Gvozdev SV, Vostrikov VG, Dubrovskij VY, Romanov RE, Metlyaev DD, Krasyukov AG, et al. Method for remote laser ignition of open gas well gushing. RU2753833 (Patent) 2021.

Starik AM, Titova NS. Possibility of intensifying chain reactions in combustible mixtures by laser radiation exciting electronic states of O2 molecules. Proceedings of the Russian Academy of Sciences [Doklady Akademii nauk]. 2003; 391(4): 471–477. (In Russian)

Tanoff MA, Smooke MD, Teets RE, Sell JA. Computational and experimental studies of laser-induced thermal ignition in premixed ethylene-oxidizer mixtures. Combust. Flame. 1995; 103(4): 253–280. https://doi.org/10.1016/0010-2180(95)00098-4.

Trott WM. CO2-laser-induced deflagration of fuel/oxygen mixture. J. Appl. Phys. (Melville, NY, U.S.). 1983; 54(1): 118–130. https://doi.org/10.1063/1.331737.

Molin YuN, Panfilov VN, Petrov AK, Smirnov BM (ed.). Infrared Photochemistry. Novosibirsk, Russia: Science [Nauka]; 1985. (In Russian)

Chou M, Zukowsci TJ. Ignition of H2/O2/NH3, H2/air/NH3 and CH4/O2/NH3 mixtures by excimer-laser photolysis of NH3. Combust. Flame. 1991; 87(2): 191–202. https://doi.org/10.1016/0010-2180(91)90169-C.

Phouc TX, White FP. Laser-induced spark ignition of CH4/air mixtures. Combust. Flame. 1999; 119(3): 203–216. https://doi.org/10.1016/S0010-2180(99)00051-6.

Kozintsev VI, Belov ML, Gorodnichev VA, Fedotov YuV. Laser Optical-Acoustic Analysis of Multicomponent Gas Mixtures. Moscow: Bauman Moscow State Technical University; 2003. (In Russian)

Pirverdyan AM. Downhole Pump Protection Against Gas and Sand. Moscow: Subsoil; 1986. (In Russian)

NEFTEGAS.info

Внимание к деталям — от идеи
до воплощения! Только актуальная информация и свежие новости.

Контакты

108811, г. Москва, Киевское ш.,
Бизнес-парк «Румянцево», корп. Б,
подъезд 5, офис 506 Б

+7 (495) 240-54-57