Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор основных технологий строительства подземных резервуаров в каменной соли и анализ исследований по моделированию рассматриваемого процесса 10
1.1. Эволюция методов строительства подземных резервуаров в каменной соли 10
1.1.1. Основные технологии подземного растворения каменной соли через буровую скважину 10
1.1.2. Основные технологии строительства подземных резервуаров в каменной соли 16
1.2. Анализ методов моделирования строительства подземных резервуаров в каменной соли 24
1.2.1. Математическое моделирование 24
1.2.2. Компьютерное моделирование 32
Выводы по первой главе и основные задачи исследования 37
2. Методика расчета технологических параметров строительства подземных резервуаров в каменной соли 39
2.1. Физико-математические основы теории подземного растворения каменной соли 39
2.2. Выбор определяющих физических процессов для моделирования строительства подземных резервуаров в каменной соли 43
2.3. Разработка математической и компьютерной модели строительства подземных резервуаров в каменной соли 44
2.3.1. Математическая модель 44
2.3.2. Методика численного решения уравнений математической модели 46
2.3.3. Компьютерная модель строительства подземных резервуаров в каменной соли 54
2.3.4. Апробация разработанной программы на производственных данных 58
Выводы по второй главе 72
3. Разработка рекомендаций по расчету основных параметров технологии строительства подземных резервуаров в каменной соли и обоснование экономической эффективности от внедрения разработанной методики 73
3.1. Расчет основных параметров технологии строительства подземных резервуаров в каменной соли 74
3.2. Оценка экономической эффективности от внедрения разработанной методики 87
Выводы по третьей главе 91
Заключение 92
Использованные источники 95
Приложение А 100
Приложение В 102
Приложение С 103
Приложение D 104
Приложение Е 105
- Основные технологии подземного растворения каменной соли через буровую скважину
- Анализ методов моделирования строительства подземных резервуаров в каменной соли
- Выбор определяющих физических процессов для моделирования строительства подземных резервуаров в каменной соли
- Оценка экономической эффективности от внедрения разработанной методики
Введение к работе
Актуальность работы. Важнейшим национальным достоянием России являются ее огромные энергетические ресурсы и созданный в стране мощный топливно-энергетический комплекс. Наиболее востребованным энергоносителем в последние годы стал природный газ, чья доля в потреблении первичных энергоресурсов оценивается на уровне 50%, а в производстве электроэнергии доходит до 60%. В этой связи все более важной задачей становится обеспечение надежного газоснабжения российских потребителей и бесперебойных поставок газа на экспорт.
В России создана и развивается крупнейшая в мире система магистрального транспорта газа - Единая система газоснабжения (ЕСГ). ЕСГ России эффективно осуществляет непрерывный цикл газоснабжения от газоконденсатного месторождения до конечного потребителя. Вследствие значительной удаленности основных регионов добычи от центров потребления природного газа, а также существенной сезонной и пиковой неравномерности газопотребления, обеспечить качественное и надежное снабжение потребителей только за счет системы магистральных газопроводов чрезвычайно трудно. В этих условиях основным и наиболее экономически эффективным способом обеспечения надежности газоснабжения является использование подземных хранилищ газа (ПХГ).
Использование действующих ПХГ позволяет регулировать сезонную неравномерность потребления газа и снижать пиковые нагрузки на ЕСГ. В отопительный период до 20% поставок газа российским потребителям покрывается мощностями ПХГ, а в дни резких похолоданий эта величина достигает 30%.
Для регулирования сезонной неравномерности газопотребления в ЕСГ России используются 24 ПХГ, 7 из которых сооружены в водоносных структурах и 17- в истощенных месторождениях. Созданные в них запасы активного газа составляют около 12-15 % от объема годового потребления, что в основном покрывает сезонные колебания спроса на газ. Однако для надежного функционирования ЕСГ также необходимо иметь дополнительные резервы для покрытия пикового спроса на газ, которое должно осуществляться в короткие сроки и с высокой производительностью подачи газа.
Наиболее адекватным средством для решения этой задачи являются ПХГ в каменной соли. Именно они обеспечивают высокую производительность закачки и
отбора газа, то есть способны работать в пиковом режиме эксплуатации, позволяя оперативно реагировать на значительные колебания спроса.
На территории России, Украины, Белоруссии и Армении в отложениях каменной соли построены и эксплуатируются подземные хранилища различного назначения: для нефтепродуктов, сжиженного нефтяного газа, этилена, концентрата гелия и др. Единственное подземное хранилище для природного газа было построено на территории Армении, и, таким образом, в настоящее время пиковых подземных хранилищ для газа в России не существует.
Между тем в большинстве экономических районов существует и, согласно прогнозу Энергетической стратегии России [1], будет расти дефицит в мощностях подземных хранилищ для покрытия максимальной суточной потребности в газе (табл. 1.1).
Таблица 1.1. Непокрытый дефицит спроса на газ, млн. м3/сут.
*) Отрицательные значения в таблице соответствуют избыточным мощностям ПХ по отбору газа.
В таких районах, как Северо-Западный, Центральный и Северо-Кавказский, этот дефицит объясняется недостаточными мощностями по максимальному суточному отбору газа из подземных хранилищ. Если не будут приняты необходимые меры, к 2015 году ожидаемый дефицит пикового спроса на природный газ превысит 230 млн. м3/сут.
В этой связи одной из важнейших стратегических задач ОАО «Газпром» является создание мощностей ПХГ в каменной соли. Концепция по развитию пиковых ПХГ на перспективу до 2015 года [1, 2] предполагает строительство 10 хранилищ природного газа в каменной соли с общим геометрическим объемом 40950 тыс. м3. Кроме того, в соответствии с утвержденной Минпромэнерго России от 03.09.2007 (№340) программой создания в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке единой системы добычи, транспортировки и газоснабжения планируется строительство подземных хранилищ гелия общим геометрическим объемом 1-2 млрд. м3, а также подземных хранилищ природного газа объемом 5.9 млрд. м3 [3].
В настоящее время ведется строительство Калининградского и Волгоградского ПХГ. Последнее должно стать первым в России и крупнейшим в Европе подземным хранилищем в солях с объемом активного газа 800 млн. куб. м и суточной производительностью 70 млн. куб. м.
В геологическом отношении потенциал для строительства подземных хранилищ в каменной соли на территории России огромен: в европейской части расположено девять соляных площадей и бассейнов, а в азиатской - шесть. В таблице 1.2 приведены основные характеристики соленосных площадей, где проектируется строительство ПХГ, и основные параметры подземных резервуаров [4].
Таблица 1.2. Основные параметры перспективных проектов ПХГ и геологические данные соответствующих соленосных площадей.
Строительство подземных резервуаров осуществляется методом подземного растворения соляной залежи через буровую скважину. Длительность отработки соляного пласта, высокая стоимость технологических операций в сочетании со сложнейшими взаимосвязанными физико-химическими процессами обусловливают необходимость постановки и решения задачи по прогнозированию и управлению развитием подземной выработки при ее строительстве.
Физические и технологические процессы, протекающие в выработке в период ее строительства, описываются весьма сложными математическими моделями, базирующимися на классических уравнениях механики сплошных сред. Подобные системы уравнений не допускают аналитического решения, поэтому для их интегрирования необходима разработка соответствующих вычислительных алгоритмов и последующая их реализация в форме компьютерных программ.
До настоящего времени компьютерное моделирование процессов подземного растворения каменной соли не получило в нашей стране широкого распространения вследствие чрезвычайной сложности моделирования описываемых процессов. Отсутствие полномасштабных исследований, построенных на комплексном рассмотрении определяющих факторов, не позволяло составлять достоверную картину строительства выработки. Расчет параметров проектируемых технологий, как правило, производился по
упрощенным методикам, что приводило к большим качественным и количественным погрешностям вычислений. Так, отсутствие гидродинамического описания пространственного течения рассола в выработке не позволяло рассчитать параметры технологии сближенного противотока (конфигурацию подвесных колонн, производительность подачи, концентрацию отбираемого рассола), при которых КПД использования свежей воды наиболее высок. Вследствие недостаточно подробных исследований указанной технологии при строительстве подземных выработок в каменной соли возникал нежелательный эффект проскока, приводящий к экономически необоснованным капиталовложениям и увеличению времени строительства.
В последние годы по мере развития численных методов появилась возможность для решения задач, связанных с многомерными течениями. Благодаря этому стало реалистичным использование более адекватных математических моделей, в полной мере отражающих те или иные качественные стороны изучаемых явлений. Современные методы численного моделирования позволяют проводить многовариантные расчеты на основе комплексного математического описания физических и технологических процессов подземного растворения и осуществлять выбор параметров технологий строительства подземных резервуаров по результатам детальных расчетов.
В этой связи разработка методов расчета основных технологических параметров строительства ПХ в каменной соли (объема развивающейся выработки, времени строительства, концентрации отбираемого рассола, конфигурации подвесных колонн, производительности подачи воды) на основе комплексного исследования процессов подземного растворения и базирующегося на современных методах математического и компьютерного моделирования представляется актуальной научной задачей.
Цель диссертационного исследования заключается в обосновании и разработке метода расчета основных технологических параметров строительства ПХ в каменной соли (концентрации отбираемого рассола, конфигурации подвесных колонн, производительности подачи воды) на основе математической модели гидродинамики пространственного течения рассола в выработке, выявлении закономерностей изменения указанных параметров и получении рекомендаций по выбору их рациональных значений, что в совокупности обеспечивает повышение эффективности и снижение стоимости строительства ПХ в каменной соли, а также вносит вклад в дальнейшее развитие строительной
геотехнологии.
Идея работы состоит в использовании гидродинамического описания процессов формирования полей скорости, давления и концентрации рассола во внутреннем пространстве выработки в условиях свободной и вынужденной конвекции, а также массообмена на растворяющейся поверхности каменной соли для расчета основных технологических параметров строительства ПХ.
Методы исследований включают математическое и компьютерное моделирование процессов подземного растворения каменной соли, а также обобщение результатов теоретических исследований и сопоставление их с производственными данными.
Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:
Разработана математическая модель создания выработки-емкости в каменной соли, отличающаяся учетом гидродинамики пространственного течения рассола в условиях свободной и вынужденной конвекции, а также массообмена на растворяющейся поверхности каменной соли, которая позволяет рассчитывать основные технологические параметры строительства ПХ.
Впервые установлен характер изменения концентрации отбираемого рассола при реализации технологии сближенного противотока, который определяется в основном расстоянием между башмаками подвесных колонн и производительностью подачи воды, в то время как влиянием среднего радиуса выработки можно пренебречь. Получены функциональные зависимости концентрации отбираемого рассола от определяющих параметров.
Впервые установлено наименьшее расстояние между башмаками подвесных колонн, обеспечивающее заданный КПД использования воды при реализации технологии сближенного противотока, которое определяется в основном производительностью подачи воды, в то время как влиянием среднего радиуса выработки можно пренебречь. Получена функциональная зависимость этого расстояния от определяющего параметра, представляющая собой степенную функцию с показателем 1.8 и коэффициентом 0.01.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются соответствием результатов модельных исследований предельных случаев физическим процессам подземного растворения каменной соли; достаточной для практических целей сходимостью результатов численного моделирования и производственных данных;
положительным результатом внедрения разработанных рекомендаций при корректировке регламентов строительства Калининградского и Волгоградского ПХГ в каменной соли.
Научное значение работы состоит в дальнейшем развитии существующих в строительной геотехнологии представлений о закономерностях изменения физических и технологических параметров строительства ПХ в каменной соли и их взаимосвязях.
Практическое значение диссертации заключается в разработке компьютерной программы, позволяющей проводить многовариантные исследования процесса строительства ПХ в каменной соли с использованием различных технологий, прогнозировать и управлять развитием выработки, рассчитывать технологические параметры в широком диапазоне входных данных, а также выбирать их оптимальные значения.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные положения диссертации докладывались на симпозиуме «Неделя горняка 2006». Полученные результаты и программа расчета использовались в ООО «Подземгазпром» при составлении регламентов строительства подземных резервуаров, а также при корректировке проектов создания Калининградского и Волгоградского ПХГ в каменной соли.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на симпозиуме «Неделя горняка - 2006», на рабочем совещании в Управлении по подземному хранению газа в ОАО «Газпром», а также на научных семинарах кафедры «СПСиШ» МГГУ (2007-2009 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы.
Объем работы. Диссертационная работа состоит их введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы из 71 наименования и 5 приложений. Диссертация изложена на 105 страницах, включая 47 рисунков и 19 таблиц.
Основные технологии подземного растворения каменной соли через буровую скважину
Строительство подземных резервуаров в каменной соли осуществляется методом подземного растворения каменной соли через буровую скважину. Его сущность заключается управляемом растворении соли пресной или минерализированной водой с одновременным вытеснением образующегося при этом рассола на поверхность земли. Скважина оснащается системой подвесных труб, предназначенных для подачи в создаваемую выработку воды и отбора образующегося раствора каменной соли на поверхность земли [5].
Метод подземного растворения каменной соли через буровую скважину использовался еще в древние времена для добычи каменной соли, а основные технологии подземного растворения соляных залежей разрабатывались исключительно для нужд рассолодобывающей промышленности. Обширный опыт использования физико-химических методов добычи полезных ископаемых обобщен в работах Г.Х. Хчеяна, В.Ж. Аренса и др. [6].
Идея использования отложений каменной соли как среды для строительства подземных резервуаров возникла значительно позже, в начале XX века, но соответствующие методы развивались на основе технологии рассолодобычи.
Значительные вклад в развитие теории, техники и технологии создания подземных хранилищ газонефтепродуктов внесли российские ученые: О.М. Иванцов, В.А. Мазуров, В.А. Грохотов, А.Г. Поздняков, Б.Н. Федоров, В.И. Смирнов, В.А. Казарян, А.И. Игошин, В.Б. Сохранский, Ю.М. Богданов, В.И. Салохин, Е.М. Шафаренко и другие.
Все разработанные технологии рассолодобычи и строительства подземных резервуаров в каменной соли осуществляются с использованием прямоточного или противоточного режима подачи воды в выработку.
Схематическое изображение подземного растворения каменной соли с применением прямоточного (а) и противоточного (б) режимов подачи растворителя. 1 - основная обсадная колонна; 2 - подвесная колонна; 3 - кровля соляного пласта; 4 - контур промежуточных этапов развития выработки; 5 - окончательный контур выработки Неуправляемое подземное растворение каменной соли с применением прямоточного и противоточного режимов подачи растворителя характерно тем, что отработка пласта производится сразу по всей его высоте. В конечном итоге при использовании обоих режимов выработка развивается преимущественно в верхней части, что влечет за собой обрушение ее кровли и покрывающих пород. В частности, в 1946-1950 гг. при разработке Яр-Бишкадарского рассолопромысла этими методами произошла авария, и добыча рассола была практически заблокирована в центральной части месторождения [8].
В этой связи подземное растворение каменной соли неуправляемыми методами практически не используется, а их значение сохраняется только в качестве режимов подачи воды.
Многолетние исследования теоретического характера, физическое моделирование, а также промышленный опыт доказали неэффективность использования неуправляемых методов, поэтому дальнейшее развитие способов подземного растворения было связано с созданием таких условий, при которых отработке подвергались бы не только боковые стенки выработки, но и ее кровля.
Так возникла идея создания подготовительной выработки - гидровруба. Размеры гидровруба определяются требуемой площадью растворяемой поверхности каменной соли (для развития фронта образующейся выработки) и объемом нерастворимых включений в массиве соли [8]. Это положило начало новому этапу в развитии технологии растворения каменной соли - управляемым методам, основателями которых стали Э. Тремп [9] (1930 г.) и П. А. Кулле [10] (1949 г.). Технически процесс строительства гидровруба производится с использованием нерастворителя - жидкого или газообразного вещества, располагающегося благодаря своим физическим свойствам в верхней части выработки и тем самым не допускающего ее растворения.
Метод строительства гидровруба Тремпа осуществлялся с использованием газообразного нерастворителя, а метод Кулле - с использованием жидкого нерастворителя. Технологическая схема создания гидровруба с использованием жидкого нерастворителя по методу Кулле показана на рис. 1.2. Перед началом процесса подземного растворения пространство между основной обсадной и внешней подвесной колоннами заполняется нерастворителем до уровня потолочины сооружаемого гидровруба и поддерживается до завершения развития выработки.
Технология строительства гидровруба с применением газообразного нерастворителя по методу Тремпа отличается от технологии Кулле в основном способом подачи нерастворителя. В процессе строительства воздух закачивается в выработку одновременно с водой. В подземном пространстве под действием гравитационных сил водовоздушная смесь разделяется на две фазы. Воздух заполняет затрубное пространство между основной обсадной и внешней подвесной колоннами и накапливается в потолочине гидровруба, создавая необходимый для надежной изоляции слой нерастворителя.
Сравнивая технологические схемы строительства гидровруба с применением жидкого и газообразного нерастворителя можно выявить следующие преимущества и недостатки. Схема с применением жидкого нерастворителя Кулле реализует более простой способ заполнения скважины и поддержания уровня нерастворителя в выработке в процессе создания гидровруба. К преимуществам этой схемы относятся относительно невысокий перепад давления между рассолом и нерастворителем на оголовке скважины, позволяющий обеспечивать герметичность скважины при сравнительно низких давлениях, а также отсутствие коррозийного воздействия нерастворителя на металл. Однако в ряде случаев использование этой схемы может быть экономически необоснованным из-за высокой стоимости жидкого нерастворителя.
Технологическая схема строительства гидровруба с применением воздуха Тремпа требует значительного энергопотребления на этапе заполнения скважины нерастворителем. Кроме того, поддержание уровня газообразного нерастворителя осуществляется намного труднее, чем поддержание уровня жидкого нерастворителя, поскольку количество растворенного в рассоле воздуха непрерывно изменяется в соответствии с перепадами давления в выработке.
В связи с этим в 60-е годы прошлого столетия во ВНИИПромгазе под руководством Б.Н.Федорова была разработана технологическая схема строительства выработки-емкости с применением воздуха в качестве газообразного нерастворителя [9], отличающаяся от способа Тремпа тем, что нерастворитель подается прямо в скважину при помощи компрессора по основной обсадной колонне.
Анализ методов моделирования строительства подземных резервуаров в каменной соли
Существенный вклад в математическое моделирование процессов подземного растворения, а также разработку методов расчета параметров технологии строительства подземных хранилищ в каменной соли внесли работы П.А. Кулле [10, 13], А.Б. Здановского [14], П.С. Бобко [15, 16], П.М. Дудко [17, 18], О.М. Иванцова [19], П.М. Гофман-Захарова [20], Б.Н. Федорова [9], А.Г.Позднякова [21-25], Ю.С. Васюты [26], В.А. Мазурова [8] и В.А. Грохотова [27,28], М.П. Бельды [29], Е.П. Каратыгина и А.В. Кубланова [30].
Как известно, процесс строительства подземных резервуаров в каменной соли состоит из ряда сопряженных физических явлений, связанных с течением рассола в выработке, его теплообменом с окружающим массивом соли, тепловой и концентрационной конвекцией, а также диффузией соли в потоке растворителя. Классические задачи течения жидкости в условиях конвекции и диффузии детально описаны в механике сплошных сред, термо- и гидродинамике, однако сложность математического моделирования состоит в применении этих результатов к теории подземного растворения.
Система дифференциальных уравнений, описывающих процесс течения рассола в выработке при реализации метода подземного растворения каменной соли, впервые была составлена Кулле [10]. Она включала в себя уравнение конвективной и молекулярной диффузии, уравнения трехмерного течения вязкой несжимаемой жидкости Навье-Стокса и уравнение Щукарева. Поскольку указанная система не допускает аналитического решения, а численных методов интегрирования подобных систем и необходимых вычислительных средств не существовало, эта математическая модель не могла быть доведена до практических результатов.
Тем не менее, в этой работе впервые было получено приближенное решение задачи о растворении вертикальной поверхности каменной соли в неподвижном бесконечно большом объеме воды на основе интегрирования уравнения движения пограничного слоя. В соответствии с принятыми допущениями течение пограничного слоя принималось ламинарным, а концентрация раствора вне пограничного слоя - постоянной. Искомой величиной была толщина пограничного слоя, переменная по высоте выработки.
Для определения коэффициента растворения в движущемся растворителе Кулле предложил формулу где и - средняя скорость движения растворителя. Однако рассчитанные по этой формуле значения коэффициента растворения значительно меньше наблюдаемых [9].
Приближенное решение задачи о растворении вертикальной соляной поверхности в неподвижном растворителе неограниченного объема получили также Р. В. Дюри и Ф. В. Джессен [31]. Авторы принимали характер течения ламинарным, задавали распределение скоростей и концентраций в пограничном слое параболическим и обнуляли скорость на границах пристенного слоя.
Погрешность расчета по формулам Иванцова достигает 20 - 40%. Это расхождение фактических и модельных результатов вызывается более высокими темпами развития выработок по сравнению с динамикой, предусмотренной в расчете. Автор формулирует ограничения масштабов применения формулы следующим образом [19]: 1. Не представляется возможным рассчитывать распределение концентрации по высоте камеры. 2. Невозможно вычислять концентрацию выдаваемого рассола, если в качестве растворителя используется не вода, а слабонасыщенный рассол. 3. С помощью формул невозможно рассчитать случай отбора рассола, близкого по концентрации к насыщенному, даже при большой активной поверхности растворения камер.
Следует упомянуть также труды Бобко [15, 16], в которых приводятся основные аспекты добычи рассолов подземным растворением каменной соли через буровые скважины, а также Гофмана-Захарова [20], где рассмотрены практические стороны подземного хранения жидких углеводородов.
Дудко [17, 18] предложил графико-аналитический метод определения концентрации рассола при добыче соли методом послойного растворения в зависимости от объема выработки и содержания нерастворимых включений.
В работе [28] Грохотова приводится следующая методика расчета развития потолочины в зависимости от скорости подачи нерастворителя. После определения требуемых размеров и формы потолочины свод разбивается на отдельные части. По расчету теоретических концентраций, скорректированных с учетом практики, определяют угол наклона растворяющейся поверхности для каждой из частей и скорость подачи нерастворителя для каждого промежутка времени. Приводятся зависимости скорости подачи нерастворителя q от формы потолочины. Например, для формирования шарообразной кровли выработки -ЇГЗЙЬ где г - радиус выработки в месте контакта нерастворитель-рассол; h - толщина слоя нерастворителя; vC3 - горизонтальная составляющая скорости растворения; R - радиус кривизны свода камеры; lF - угол наклона растворяющейся поверхности.
Для повышения точности расчетов по эмпирическим зависимостям, Поздняков [23] разработал критерии подобия для моделирования процесса строительства подземных выработок-емкостей. Приведенные в работе критерии распространяются на выработки с потолочиной, не подлежащей растворению.
Сирз и Джессен в работе [33] предложили методику управления формообразованием подземных резервуаров, используя для определения скорости растворения зависимость Дюри-Джессена.
Компьютерное моделирование строительства подземных резервуаров в каменной соли возникло как необходимый инструмент для расчета технологических параметров сложных процессов подземного растворения, описываемых, вообще говоря, уравнениями механики сплошных сред. Развиваясь параллельно с возможностями вычислительной техники, оно позволяет проводить все более масштабные исследования. С помощью современных компьютерных программ реальным стало не только выполнение расчетов в широком диапазоне входных параметров, но и моделирование различных технологий и сценариев развития выработки, а также оптимизирование технологических схем по ряду определяющих параметров.
Первой исследовательской попыткой, направленной на создание компьютерной модели строительства подземных выработок в каменной соли, было приближенное решение задачи о растворении вертикальной соляной поверхности в неподвижном растворителе бесконечного объема, полученное Дюри и Джессеном [31]. Разработанная учеными формула была успешно реализована два года спустя в первой компьютерной программе CAVITY [33]. Программа рассчитывала распределение концентраций в подземной камере, а также баланс нерастворителя во времени с целью получения выработки сферической формы. При этом режим подачи растворителя в выработку принимался противоточным.
Первый алгоритм для прямоточного режима подачи растворителя был предложен в 1969 году Рёром (Rohr). Алгоритм Рёра нашел применение в некоторых современных программных продуктах [35].
Выбор определяющих физических процессов для моделирования строительства подземных резервуаров в каменной соли
Важнейшими физическими процессами, определяющими развитие выработки в каменной соли при реализации метода подземного растворения каменной соли через буровую скважину, являются процессы конвективного и диффузионного массообмена. Конвективный массообмен вызывается неоднородностью полей температур и концентрации соли во внутреннем пространстве выработки. Известно, что при отработке залежей ограниченной мощности (не более 150 м) конвективные процессы в большей степени определяются неоднородностью поля концентрации соли, чем наличием температурного градиента в окружающем массиве [52]. Это обстоятельство позволяет отказаться при моделировании от использования полного уравнения теплопроводности (2.4), а также записывать уравнение конвективной и молекулярной диффузии в форме (2.3а).
При исследовании процесса строительства выработок-емкостей в пластах ограниченной мощности, как это делается в настоящей работе, существенным является описание растворения в горизонтальном направлении, и одномерные модели, рассматривающие изменение физических полей выработки только по высоте, недостаточно эффективны [47]. Решение трехмерных задач в настоящее время практически неосуществимо вследствие исключительной трудоемкости вычислений. Более того, весьма трудно оценить распределение растворимости соли в различных направлениях. С учетом обоих обстоятельств наиболее адекватным способом описания процессов подземного растворения в настоящее время представляется двумерная модель.
Таким образом, для описания процесса подземного растворения в диссертации используется математическая модель гидродинамики пространственного течения рассола в условиях свободной и вынужденной конвекции, а также массообмена на растворяющейся поверхности каменной соли, включающая уравнения (2.1), (2.2) и (2.3а) в двумерном приближении.
Пусть в начальный момент времени в массиве каменной соли имеется выработка цилиндрической формы высоты Н и радиуса R (рис. 2.1). В выработку опущены две подвесные колонны. Внешняя подвесная колонна имеет радиус гош, а центральная подвесная колонна - гт. Башмак внешней подвесной колонны расположен на глубине h0M, считая от потолочины выработки, башмак центральной подвесной колонны - на глубине hin, L - межбашмачное расстояние.
Подача воды приводит к растворению боковой поверхности выработки. При этом принимается, что ее потолочина изолирована слоем нерастворителя, а дно -слоем нерастворимых включений.
Поскольку аналитического решения поставленной задачи не существует, автором был разработан следующий алгоритм ее численного решения. Внутри расчетной области (рис. 2.2) вводится двумерная пространственная сетка из Л/ ячеек. Увеличение размеров выработки моделируется увеличением радиуса расчетной области, поэтому координаты ячеек изменяются на каждом временном шаге. Давление и концентрация представляются их значениями в центре ячейки, а компоненты вектора скорости - значениями в центрах соответствующих контрольных объемов (рис. 2.3).
Уравнения (2.12-2.15) интегрируются по контрольным объемам для каждой переменной. Контрольные объемы для давления и концентрации соли совпадают с объемами разностных ячеек, а контрольные объемы для компонент скорости сдвинуты относительно центров ячеек по направлениям скорости .
Совокупность уравнений (2.37), записанных для каждой ячейки расчетной области, представляет собой систему линейных уравнений для определения поля давления внутри выработки. Поскольку краевые условия для поля давления не известны, решение этой системы производится итерационным образом [53]. В качестве начального приближения выбирается значение на известном нижнем временном слое. После этого для численного решения системы на каждой итерации используется метод прогонки. После проведения каждой итерации полученное решение подставляется в исходное уравнение (2.37). Если погрешность решения превосходит 10"8, производится корректировка полученного поля давления [51], после чего процесс повторяется снова. Итерационный цикл проводится до тех пор, пока рассчитанное на поле давлений не будет удовлетворять системе (2.37) с точностью до 10"8. Затем рассчитанное поле давлений подставляется в уравнения (2.34) и (2.35) для определения компонент скорости. Полученные результаты используются для расчета поля концентрации по уравнению (2.36а) для внутренних или (2.366) - для граничных ячеек расчетной области.
По описанному алгоритму была разработана программа, реализованная в среде Borland C++ Builder 6.0 [55]. Программа предназначена для моделирования в диалоговом режиме процесса строительства ПХ в каменной соли с использованием различных технологий, прогнозирования и управления развитием выработки, а также расчета технологических параметров в широком диапазоне входных данных. В процессе вычислений можно задавать различный расход подаваемой в выработку воды, перемещать башмаки водоподающей и рассолозаборной колонн, изменять уровень расположения нерастворителя, а также режим подачи воды.
Главная форма программы (см. рисунок 2.5) содержит меню и панель показа сечения выработки (центральная часть экрана на рисунке). Эта форма предназначена для управления работой программы путем выбора пунктов меню и анализа изменения полей концентрации, давления и скорости внутри выработки.
Форма исходных данных (см. рисунок 2.6) предназначена для показа исходных данных и их редактирования. Входные данные программы разделены на четыре основные группы, включающие следующие параметры: Геометрические данные в начальный момент времени радиус и высота выработки; уровень расположения нерастворителя; уровни расположения сечений (башмаков) подвесных колонн; диаметры подвесных колонн; Характеристики подачи воды режим подачи воды; производительность подачи воды; Управляющие параметры расчета длительность процесса; интервал выдачи информации; количество ячеек сетки; плотность воды; Физико-химические данные плотность воды; плотность насыщенного рассола; концентрация насыщенного рассола; коэффициент динамической вязкости рассола; средний коэффициент диффузии соли в рассоле; средняя плотность каменной соли.
Оценка экономической эффективности от внедрения разработанной методики
Разработанные в диссертации методы и программа были использованы для оценки рациональности затрат на строительство подземного резервуара для жидких углеводородов №11РЭ на комбинате «Прибайкалье» в Усолье-Сибирском. При использовании принятого к строительству регламента указанного объекта на 3-й и 4-й ступенях наблюдался эффект проскока. Анализ технологических параметров регламента в соответствии с результатами исследований, изложенными в 3 главе, показал, что для преодоления этого эффекта при выбранных производительностях подачи воды (табл. 2.1) расстояния между башмаками подвесных колонн должны быть увеличены.
Предложенные межбашмачные расстояния представляют собой компромисс, учитывающий необходимость преодоления эффекта проскока, целесообразность получения кондиционного рассола, прочностные требования, предъявляемые к форме выработки, а также мощность пласта, и составляют 8 м для 3-й ступени и 10 м для 4-й ступени.
Основные технологические параметры принятого к строительству регламента для подземного резервуара №11РЭ приведены в таблице 2.1 (2-я глава). В предложенной технологической схеме по сравнению с базовым вариантом изменены только расстояния между башмаками подвесных колонн на 3-й и 4-й ступенях.
Фактические значения, а также результаты расчетов концентрации отбираемого рассола и объема выработки при использовании модифицированной технологической схемы для 3-й и 4-й ступеней строительства подземного резервуара №11РЭ представлены в приложениях D и Е соответственно.
В соответствии с результатами расчета при использовании предложенной технологической схемы заданный в регламенте объем выработки, равный 55 тыс. м3, можно создать на 24 дня раньше, чем при реализации базового варианта. Таким образом, согласно объектной смете на сооружение подземного резервуара №11 РЭ стоимость его строительства можно снизить за счет уменьшения: объемов используемой технической воды; затрат электроэнергии; фонда заработной платы бригады по размыву; а также получить дополнительную прибыль от продажи кондиционного рассола на рассолоперерабатывающее предприятие.
В таблице 3.5 приведено сравнение параметров, непосредственно влияющих на стоимость строительства, для принятого регламента и расчета в соответствии с предложенной схемой, а также стоимости единицы измерения указанных параметров. Таблица 3.3. Сравнение капиталоемких параметров строительства для принятого регламента и расчета в соответствии с модификацией технологической схемы.
1. При нерациональном сочетании технологических параметров сближенного противотока возникает эффект проскока, характеризуемый тем, что значительная часть поступающей в выработку воды попадает непосредственно в рассолозаборную колонну, минуя зону растворения. Моделирование сближенного противотока с помощью разработанной программы позволило установить, что указанный эффект определяется в основном расстоянием между башмаками подвесных колонн и производительностью подачи воды, в то время как влиянием изменения среднего радиуса выработки можно пренебречь.
2. Расчеты, проведенные с помощью программы, позволили описать характер изменения концентрации отбираемого рассола. В зависимости от расстояния между башмаками подвесных колонн при фиксированных производительностях подачи воды установлены интервалы проскока и стабилизации концентрации. Получены функциональные зависимости для расчета изменения концентрации отбираемого рассола на интервале проскока.
3. В качестве критерия преодоления проскока предложено пороговое значение концентрации отбираемого рассола, соответствующее изменению характера кривой концентрации при переходе от интервала проскока к интервалу стабилизации и составляющее 80% от максимально возможного рассчитанного значения при любой фиксированной производительности подачи воды.
4. Установлено рациональное расстояние между башмаками подвесных колонн, соответствующее пороговому значению концентрации, - минимальное расстояние, начиная с которого эффект не наблюдается. Изменение рационального расстояния между башмаками подвесных колонн в зависимости от производительности подачи воды описывается зависимостью (3.2).
5. Показано, что в пределах точности инженерных расчетов изменением рационального расстояния вследствие изменения среднего радиуса выработки можно пренебречь.
6. Разработанный способ выбора рационального расстояния между башмаками подвесных колонн был использован при корректировке регламента строительства подземного резервуара №11РЭ на комбинате «Прибайкалье» в Усолье-Сибирском. Ожидаемый экономический эффект, выраженный в снижении стоимости строительства, составляет 13020198 руб. 04 коп.
7. Методика расчета основных технологических параметров использовалась в ООО «Подземгазпром» при составлении регламентов строительства подземных резервуаров, а также при корректировке проектов создания Калининградского и Волгоградского ПХГ в каменной соли.
Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованию и разработке метода расчета основных технологических параметров строительства ПХ в каменной соли на основе математической модели гидродинамики пространственного течения рассола в выработке, выявлении закономерностей изменения указанных параметров и получении рекомендаций по выбору их рациональных значений, что в совокупности обеспечивает повышение эффективности и снижение стоимости строительства ПХ в каменной соли, а также вносит вклад в дальнейшее развитие строительной геотехнологии.
Основные научные выводы и практические результаты, полученные автором, заключаются в следующем:
1. Анализ методов расчета технологических параметров строительства ПХ в каменной соли показал, что для получения достоверных результатов необходимо учитывать особенности формирования нестационарных пространственно неоднородных полей скорости, давления и концентрации рассола во внутреннем пространстве выработки-емкости. Метод расчета, отвечающий указанным требованиям, должен базироваться на математической модели гидродинамики пространственного течения рассола в выработке в условиях свободной и вынужденной конвекции, а также массообмена на растворяющейся поверхности каменной соли.
2. Разработанная математическая модель создания выработки-емкости в каменной соли построена на гидродинамическом описании пространственного течения рассола внутри выработки и обеспечивает полноту учета влияющих факторов. Указанная модель включает уравнения Навье-Стокса, уравнение конвективной и молекулярной диффузии, уравнение состояния рассола, начальные и граничные условия.
3. Предложенный алгоритм численного решения уравнений математической модели, заключающийся в последовательном интегрировании уравнений Навье-Стокса для расчета полей давления и скорости рассола во внутреннем пространстве выработки, а затем использовании полученного поля скоростей для решения уравнения конвективной и молекулярной диффузии, позволил реализовать модель в виде компьютерной программы.
