Ученые из Китайского нефтяного университета разработали интеллектуальную систему, предназначенную для управления одним из самых чувствительных процессов при подземной газификации угля – водопритоком. 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 – 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.
Предложенная китайскими исследователями система состоит из трех взаимосвязанных элементов. Первый – 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 – коэффициент детерминации R² достиг 0,95.
Второй элемент системы – обновленные критерии оценки безопасности участка. Здесь важно учитывать не только динамический прогноз водопритока, но и геологическую защиту пласта от внешних вод. Известно, что для безопасной газификации крыша угольного пласта должна быть изолирована не менее чем 36-42 метрами плотных пород, а подошва – 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, исследователи 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 – примерно 1 м³ воды на тонну угля. Это подтверждает, что участок подходит для проведения подземной газификации.
Третий компонент – оптимизационная модель расчета объема закачиваемой воды. Исследователи вывели балансное уравнение, учитывающее как потребность процесса в воде, так 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 (давление нагнетания 11 МПа, давление отбора 9 МПа) модель показала, что на первом этапе дополнительная подача воды не требуется, тогда как в устойчивой фазе необходимо около 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 исследователи планируют добавить в систему параметры экономической эффективности и сформировать крупную промышленную базу данных совместно с компаниями, которые занимаются подземной газификацией.
