Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ современного состояния технико-технологических средств сооружения скважин для использования низко потенциального тепла горных пород 9
1.1 Принцип использования низко потенциальной тепловой энергии с помощью теплообменных скважин 10
1.2 Варианты оборудования теплообменных скважин 15
1.3 Теплообменные скважины в Санкт-Петербурге и Ленинградской области 22
1.4 Проектирование теплообменных скважин 24
1.5 Анализ современного состояния технической базы для бурения теплообменных скважин 26
1.6 Распределение геотермического градиента на территории ленинградской области 32
1.7 Полигон по изучению работы теплообменных скважин и тепловых насосов 33
1.8 Постановка задач исследований 38
Выводы по главе 1 40
ГЛАВА 2 Рекомендации по выбору технико-технологических средств бурения теплообменных скважин 41
2.1 Технология вибрационно-вращательного бурения теплообменных скважин 42
2.2 Технология бурения теплообменных скважин вращательным способом с использованием забойных машин и обратной циркуляцией промывочной жидкости 45
2.3 Технологии тампонирования теплообменных скважин и установки в них теплообменных
коллекторов 53
Выводы по главе 2 58
ГЛАВА 3 Методика аналитических и экспериментальных исследований основных процессов сооружения теплообменной скважины 59
3.1 Обоснование критерия эффективности работы теплообменной скважины 59
3.2 Основные факторы, влияющие на работу теплообменной скважины 62
3.3 Постановка задачи моделирования процесса теплообмена между массивом горных пород и скважиной 66
3.4 Стенд моделирования активного участка теплообменной скважины 69
3.5 Методика статистической обработки экспериментальных данных
Выводы по главе 3 73
ГЛАВА 4 Аналитические исследования процессов, влияющих на выбор конструкции и способ сооружения теплообменных скважин 74
4.1 Определение удельной мощности, затрачиваемой на циркуляцию, и удельной тепловой мощности 74
4.2 Нестационарность теплообмена и учет фактора времени 77
4.3 Решение уравнения теплообмена 78
4.4 Уравнения для определения радиуса теплового влияния теплообменной скважины 82
Выводы по главе 4 87
ГЛАВА 5 Экспериментальные и натурные исследования процессов, влияющих на выбор конструкции и способа сооружения теплообменных скважин 89
5.1 Подготовка к проведению эксперимента 89
5.2 Ход проведения экспериментов и их результаты 92
5.3 Обработка и анализ результатов эксперимента
5.3.1 Анализ эффективности работы теплообменной скважины 99
5.3.2 Расчет полученной удельной тепловой мощности
5.4 Сравнение экспериментальных и расчетных значений удельной тепловой мощности 104
5.5 Расчет радиуса зоны теплового влияния экспериментальной скважины 106
5.6 Статистическая обработка значений эффективной разницы температур 109
5.7 Анализ натурных наблюдений на «Исследовательском полигоне» 110
5.8 Методика проектирования теплообменных скважин 120
5.9 Особенности типизации геолого-технических условий бурения теплообменных скважин (на примере Ленинградской области) 121
5.10 Проектирование конструктивных параметров теплообменных скважин, их количества и расстояния между ними 125
Выводы по главе 5 128
Заключение 131
Список литературы
- Теплообменные скважины в Санкт-Петербурге и Ленинградской области
- Технология бурения теплообменных скважин вращательным способом с использованием забойных машин и обратной циркуляцией промывочной жидкости
- Постановка задачи моделирования процесса теплообмена между массивом горных пород и скважиной
- Нестационарность теплообмена и учет фактора времени
Введение к работе
Актуальность темы. Нарастающий дефицит производства энергии за счет органического топлива и экологический ущерб, наносимый при его сжигании, требует поиска широко распространенных и экологически чистых источников энергии. К таким источникам относятся: энергия Солнца, ветра и теплота недр. Наибольшим ресурсом тепловой энергии при постоянстве ее производства и практически повсеместном распространении обладают недра планеты.
Тепло Земли, имеющее генетическую и пространственную связь добываемой полезной энергии с недрами и возможность извлечения лишь с использованием горных выработок, в частности буровыми скважинами, является своеобразным полезным ископаемым, которое требует особого подхода к его опробованию, разведке и разработке. Одним из важных различий между геотермальной тепловой энергией и разнообразными минеральными полезными ископаемыми является то обстоятельство, что тепловую энергию нельзя экономично транспортировать на большие расстояния, поэтому при уточнении понятия о геотермальном месторождении и оценке его запасов необходимо учитывать, что их освоение возможно только там, где уже имеются соответствующие потребители.
Бурение скважин является одним из основных видов горных работ при поисках, разведке и эксплуатации геотермальных месторождений. По назначению данные скважины, подобно гидрогеологическим, можно разделить на наблюдательные, разведочные, разведочно-эксплуатационные и эксплуатационные. Скважины позволяют получить информацию, необходимую для оценки запасов извлекаемых тепловых ресурсов, их качественных характеристик, а также уточнить геолого-геотермические, горногеологические и технические условия для опробования, разведки и эксплуатации системы извлечения.
Основой технологии является сооружение теплообменных скважин (ТС). Однако глубоких теоретических и экспериментальных исследований новой технологии освоения приповерхностных толщ недр недостаточно.
За рубежом, особенно в Скандинавских странах, доля теплоснабжения жилых объектов по этой технологии достигает 40…60%, а в нашей стране она не превышает 0,2%. Так, в Санкт-Петербурге и Ленинградской области насчитывается несколько сотен небольших объектов, отапливаемых за счет тепловой энергии приповерхностных толщ горных пород. До сих пор нет достаточно обоснованных технологий сооружения ТС, опробования и оценки подобных энергетических ресурсов, а также рекомендаций по режимам эксплуатационной разведки в конкретных геолого-технических условиях. В связи с этим проблема проведения комплексных исследований, связанных с разведкой и опробованием тепловых ресурсов приповерхностных толщ, является актуальной.
Цель диссертационной работы – повышение эффективности эксплуатационной разведки геотермальных ресурсов приповерхностных толщ горных пород.
Идея работы заключается в применении коаксиальных теплообменных скважин и разработке их конструкции применительно к конкретным геолого-техническим условиям.
Основные задачи исследований:
-
Проанализировать существующие технологии сооружения и опробования тепловых ресурсов приповерхностных толщ горных пород, используемых для теплоснабжения и кондиционирования.
-
Типизировать геологические разрезы Санкт-Петербурга и Ленинградской области, с точки зрения возможности их эффективного использования в качестве нетрадиционных источников тепловой энергии горных пород.
-
Разработать аналитические зависимости, позволяющие определить конструктивные параметры коаксиальных скважин, а также режимы их опробования и эксплуатационной разведки в конкретных геолого-технических условиях.
-
Провести экспериментальные и натурные исследования для определения зависимостей основных параметров теплообменных скважин (диаметр, глубина, параметры их сети) от свойств горных пород, теплоносителя и длительности проведения опробования.
-
Разработать технологию опробования и эксплуатационной разведки ресурсов низко потенциального тепла приповерхностных
толщ горных пород с помощью коаксиальных теплообменных скважин.
6. Обосновать выбор эффективной технологии бурения и оборудования ТС для систем отопления и кондиционирования с использованием тепловых насосов гражданских и производственных объектов.
Методы решения поставленных задач. Работа выполнена в соответствии с общепринятыми методами теоретических и экспериментальных исследований, при этом был создан стенд по изучению влияния теплообменных процессов в скважине на выбор ее конструктивных параметров. Обработка экспериментальных исследований проводилась с помощью методов математической статистики. Также были проведены натурные исследования на «Исследовательском полигоне» (на базе Технического Университета Остравы - «VB-TUO» (Чешская республика) для изучения работы скважинных теплообменных систем.
Научная новизна заключается в:
установлении зависимости диаметра и глубины коаксиальной теплообменной скважины от теплофизических параметров массива, теплоносителя, продолжительности и условий нестационарного теплообмена, определяющей ее наиболее эффективную конструкцию, режимы опробования и эксплуатационной разведки.
обосновании критериев эффективности () и цикличности (кц), характеризующих допустимое развитие зоны теплового влияния и времени восстановления температурного поля вокруг скважины.
Защищаемые научные положения:
-
Проведение опробования и разведки тепловых ресурсов приповерхностных толщ горных пород должно осуществляться коаксиальными теплообменными скважинами, конструкция которых определяется с учетом теплофизических свойств горных пород и теплоносителя, условий и продолжительности теплообмена, а также геометрическими параметрами скважины.
-
Экспериментально установленные зависимости уровня развития зоны теплового влияния и времени восстановления температуры массива от температуропроводности пород и длительности опробования, а также разработанная типизация горно-
геологических условий, позволяют обосновать параметры разведочной сети коаксиальных теплообменных скважин.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований, достаточной сходимостью расчетных величин с фактическими данными (95%), воспроизводимостью результатов, а также результатами натурных наблюдений.
Практическая значимость работы:
-
Проведена типизация геологических разрезов территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области для проектирования систем разведочно-эксплуатационных скважин для использования низко потенциальной тепловой энергии слагающих их отложений и горных пород.
-
Разработана технология опробования и эксплуатационной разведки коаксиальными теплообменными скважинами, позволяющая учитывать теплофизические и температурные особенности массива горных пород, обеспечивающая достижение высокой эффективности извлечения низко потенциальной тепловой энергии горных пород.
-
Результаты анализа работы «Исследовательского полигона» в Остравском университете будут использованы при проектировании нового полигона с экспериментальной системой теплообменных скважин на следующем этапе проведения исследований.
Личный вклад автора. Автор выполнил анализ научно-технической литературы по теме диссертационных исследований, лабораторные эксперименты, обработал и интерпретировал результаты натурных исследований, проведенных на «Исследовательском полигоне» в Остравском университете, аналитически обосновал и экспериментально доказал зависимости параметров коаксиальных ТС от геологических и технологических факторов.
Апробация работы. Основные положения и практические результаты исследований докладывались на 8-ми научно-технических конференциях, в том числе на международном
ежегодном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (СПГГУ, г. Санкт-Петербург, 2008, 2009); на XI Международном симпозиуме студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (ТПУ, г. Томск, 2007); на XLVI Международной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (НГУ, г. Новосибирск, 2008); на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы научно-технического прогресса в бурении скважин» (ТПУ, г. Томск, 2009); на международной конференции «Wiertnictwo-Nafta-Gas» (AGH, Польша, Краков, 2008), на международной конференции «International conference on renewable energy and power quality» (Испания, Сантьяго де Компостела, 2012), на семинаре «Vyuit geotermln energie» (VSB – TUO, Чехия, Острава, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 из перечня рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 119 наименований. Материал диссертации изложен на 147 стр., включает 20 табл., 43 рис.
Автор выражает признательность и благодарность научному руководителю Чистякову Валерию Константиновичу за помощь и терпение в написании работы, а также коллективам кафедры Бурения скважин и Центра инженерных исследований Горного университета за помощь в проведении исследований.
Теплообменные скважины в Санкт-Петербурге и Ленинградской области
Под теплообменной скважиной подразумевается скважина, пробуренная на относительно небольшую глубину (до 50...200 м), оборудованная специальным теплообменным коллектором и предназначенная для переноса низко потенциальной тепловой энергии от массива горных пород к тепловому насосу для ее трансформации в энергию с более высоким потенциалом.
Скважинным теплообменным коллектором называется циркуляционная система различной конструкции, установленная в теплообменной скважине и предназначенная для того, чтобы циркулирующий в ней теплоноситель аккумулировал в себе тепловую энергию массива горных пород и доставлял ее на поверхность к тепловому насосу.
В мировой практике сооружения теплообменных скважин используются самые разные конструкции скважинных теплообменных коллекторов (рисунок 1.3).
Наиболее часто применимыми типами теплообменных коллекторов являются /-образные и двойные /-образные, ввиду простоты конструкции и относительной дешевизне [113]. Для создания коллекторов подобного рода чаще всего используются гибкие полиэтиленовые трубки РЕ32, РЕ100 и РЕ-Ха наружного диаметра 32 и 40 мм [97]. При использовании двойного /-образного коллектора предпочтение отдают трубкам меньшего диаметра, а при использовании одинарного - применяют большие диаметры [116,117].
Пространство между стенкой скважины и коллектором заполняется различными по составу тампонажными материалами. Функции такого заполнения следующие: создание плотного контакта между стенкой скважины и стенками трубок, для обеспечения возможности эффективного кондуктивного теплообмена; гидравлическая изоляция теплоносителя от геологической среды во избежание возможного загрязнения подземных вод.
В современной практике для тампонирования теплообменных скважин используются традиционные цементные растворы на основе портландцемента -ПЦ400 и пр. Применение таких растворов позволяет создать достаточно качественный контакт стенки скважины и теплообменного коллектора. Теплопроводность таких растворов, после отвердевания, колеблется в пределах 0,5...0,8 Вт/(м-К), что сопоставимо с теплопроводностью воды - 0,58 Вт/(м-К), но примерно на порядок ниже, чем теплопроводность большинства горных пород верхней части разреза.
Также широкое применение находят глиноцементные растворы [25], которые изготавливаются из портландцемента и глинопорошка, чаще всего -бентонита различных марок. Подобного рода растворы обеспечивают более качественный контакт стенки скважины с коллектором, а коэффициент теплопроводности тампонажного камня достигает значений до 1,5 Вт/(м-К).
Также применяются смеси специального назначения для тампонирования теплообменных скважин. Эти смеси состоят из бентонита и кварцевого песка. Содержание кремнезема в песке, используемом для данных смесей, превышает 90% и достигает 99%. Параметры некоторых смесей, которые присутствуют на рынке России, представлены в таблице 1.1.
Одной из самых эффективных конструкций теплообменного коллектора являются коаксиальные трубы (рисунок 1.3). Для изготовления данного вида коллектора используются различные материалы. Часто применяется то же, что и для /-образных систем, то есть полиэтилен марок РЕ32, РЕ100 и РЕ-Ха. Помимо этого применяется также и сочетание полиэтиленовых трубок, в качестве внутренней трубы коаксиальной системы, и стальной - наружной трубы. Такая комбинация обеспечивает больший теплосъем, за счет высокой теплопроводности стали, примерно 46 Вт/(м-К), по сравнению с теплопроводностью полиэтиленовых трубок, около 0,2...0,4 Вт/(м-К) [99].
Применяемые коаксиальные коллектора имеют следующие геометрические характеристики: наружный диаметр внешних трубок колеблется от 50 до 130 мм, наружный диаметр внутренних трубок колеблется в пределах от 32 до 90 мм [91,118].
В университете г. Цинлин Китайской народной республики, профессорами Суном, Вонгом, Паном и пр., была собрана демонстрационная модель [109] по изучению работы теплообменных скважин различных конструкций (рисунок 1.4). модели с указанием типов коллекторов
Проведенные исследования, направленные на выявление наиболее эффективной скважины в работающей системе, дали следующие результаты. Отношения полученной тепловой энергии к затраченной на циркуляцию теплоносителя для соответствующих скважин оказались следующими: №1 - 1,91; №2-1,68 и №5-2,73 [108].
Коаксиальные коллекторы, по сравнению с /-образными показывают себя более эффективными, поскольку площадь контакта коллектора с массивом горных пород при той же длине выше. Коаксиальные теплообменные коллекторы позволяют получить больше (на 10...20%) тепловой энергии от горных пород, по сравнению с двойными и одинарными /-образными коллекторами, при прочих равных условиях.
Циркуляция теплоносителя в коаксиальном теплообменном коллекторе, как показано на рисунке 1.3, может осуществляться различными способами: теплоноситель с начальной температурой подается в кольцевой канал между трубами и с глубиной нагревается, затем на забое скважины теплоноситель попадает во внутренний круглый канал, по которому поднимается на поверхность или наоборот.
Итальянскими исследователями из университета Болоньи [118] исследовался вопрос об эффективности работы теплообменной скважины при различных схемах подачи теплоносителя: в центральный канал и кольцевой канал коаксиального коллектора.
Методом конечных элементов была смоделирована работа теплообменных скважин с различными конструкциями коаксиальных коллекторов, а также с различными способами подачи теплоносителя в них.
В качестве модели были выбраны следующие конструкции скважин и коллекторов: глубина скважины 20 м, диаметр наружной стальной трубки (AISI304) 50/46 мм в первом случае и 54/50 мм - во втором; диаметр внутренней пластиковой трубки {РЕ-Ха, либо PP-RS0) 32/26 мм и 40/32 мм, соответственно; в качестве теплоносителя используется техническая вода; удельная теплоемкость единицы объема горных пород составляет 2000 Дж/(м -К). Во всех случаях поток, направленный в скважину через кольцевой канал позволяет получить больше энергии по сравнению с потоком, направленным в центральный канал (таблица 1.2). Эффект наиболее заметен в первые 15 мин работы теплообменной скважины, что объясняется тем, что при подаче теплоносителя в кольцевой канал, он сразу взаимодействует со стальной трубкой, тогда как при иной циркуляции поток сначала проходит по центральному каналу и лишь затем вступает в теплообмен с окружающим массивом горных пород.
Технология бурения теплообменных скважин вращательным способом с использованием забойных машин и обратной циркуляцией промывочной жидкости
Для решения проблемы очитки забоя целесообразней включить в компоновку буровой колонны устройство, которое может обеспечивать принудительную обратную призабойную циркуляцию. Создание такой циркуляции возможно с использованием эжекторов специальных конструкций.
Исследования процессов, протекающих на забое скважины при бурении двойными колоннами бурильных труб, были проведены д.т.н. Кардышем В.Г. и к.т.н. Пешковым А.Н. и Кузнецовым А.В. Ими разработана теоретическая база, которая описывает движение выбуренной породы в виде керна и шлама по внутреннему каналу бурильных труб [24].
Условно бурение с гидро- или пневмотранспортом выбуренной породы, были разделено на ряд одновременно протекающих процессов таких как: разрушение горных пород на забое, его очистка от шлама, отвод тепла образующегося при трении ПРИ о породный забой, отрыв керна, движение керна и шлама в восходящем потоке промывочной жидкости. Вышеуказанными исследователями было обозначено три класса пород: «пластичные», «сыпучие» и «образующие столбики керна и шлама», при этом для каждого из них рассмотрены забойные процессы с учетом эффекта пакерования, то есть способствование выбуренных пород сохранению обратной циркуляции. Для количественной оценки эффекта пакерования был введен коэффициент пакерования, равный отношению расхода в зазоре между стенкой скважины и колонной бурильных труб к расходу, создаваемым буровым насосом [63].
Использование предложенного критерия позволило оценить используемые в отечественной практике конструкции бурового инструмента и установок, предназначенного для бурения гидрогеологических и геотехнологических скважин. Были связаны в единую зависимость следующие факторы, оказывающие большое влияние на качество очистки забоя и транспортировки выбуренной породы на устье, а именно: диаметр и глубина бурения; плотность, пористость и другие физические свойства пород; расход очистного агента; конструкция бурового инструмента.
Проведенный авторами анализ позволили выбрать фактор, который оказывает наибольшее влияние на процессы очистки забоя и транспортирования выбуренной породы при бурении двойными концентрическими колоннами бурильных труб, а именно скорость восходящего потока в центральном канале буровой колонны играет главную роль при выборе и расчете геометрических параметров колонны. Именно этот параметр оказывает влияние на такой режимный параметр как расход очистного агента, который в свою очередь определяет в зависимости от размеров сечения колонны потери давления в циркуляционной системе и, как следствие, давление развиваемого насосом или компрессором. Сечение же двойных бурильных труб определяет общий вес буровой колонны, который, в конечном счете, повлияет на выбор буровой установки по такому параметру, как грузоподъемность.
Такие параметры как наружный диаметр колонны бурильных труб, диаметр породоразрушающего инструмента, длина и вес колонны определяют мощность, развиваемую при вращении КБТ, что в конечном итоге отражается на общем балансе энергозатрат при бурении. Все указанные параметры входят в широко известное эмпирическое выражение для расчета мощности, развиваемой при бурении: N = 2-107(pXLD(D-d)qn3, (2.1) где N - мощность, развиваемая на вращение КБТ, кВт; ф - коэффициент динамического трения, ф=0,2...0,3; X — поправочный коэффициент, учитывающий влияние упругих сил и собственного веса КБТ при вращении, Х=0,6...0,9; L — длина КБТ, м; D — диаметр скважины с учетом разработки стенок, м; d — наружный диаметр КБТ, м; q — вес одного погонного метра КБТ, даН/м; п — частота вращения КБТ, об/мин.
Анализ вышеуказанных проблем привел к созданию как отечественного, так и зарубежного современного оборудования и инструмента для бурения двойными колоннами бурильных труб с обратной циркуляцией промывочной жидкости и использованием забойных ударных машин.
Другой важной технической задачей является спуск скважинного теплообменного коллектора в уже пробуренную скважину и заполнение ее специальными тампонажными материалами.
С точки зрения подготовки скважины к этапу эксплуатационной разведки и последующей ее сдачей в эксплуатацию, наиболее перспективной технологией бурения является бурение с разъемной двойной колонной бурильных труб.
В подобных колоннах внутренние бурильные трубы с помощью разъемных фиксаторов центрируются в наружной колонне бурильных труб, при этом при доведении скважины до проектной глубины внутренняя колонна может быть извлечена, а наружная - будет играть роль временной обсадки.
Во время достижения запланированной глубины внутренняя колонна бурильных труб вместе со складным породоразрушающим инструментом и забойной ударной машиной, если таковая имеется в компоновке, извлекается из скважины, а на забой под действием собственного веса опускается в собранном виде теплообменный коллектор той или иной конструкции вместе с нагнетательной трубкой. По завершении спуска коллектора на заданную глубину начинается подача тампонажного материала в нагнетательные трубки с их одновременным подъемом (рисунок 2.3). Такой способ тампонирования позволяет выполнять селективное тампонирование с достаточно высокой точностью, а именно менять рецептуру тампонажного материала в зависимости от глубины, что позволяет осуществить, в частности, теплоизоляцию верхних интервалов скважины, подверженных сезонным колебаниям температур от теплообменного коллектора.
По завершению тампонажа наружная колонна бурильных труб извлекается, таким образом, что пространство, ранее занимаемое ими в скважине, самотеком заполняется тампонажным материалом. Описанный вид тампонирования теплообменных скважин является самым эффективным с точки зрения организации труда и затрат времени на вспомогательные операции.
Постановка задачи моделирования процесса теплообмена между массивом горных пород и скважиной
Мировой опыт использования теплообменных скважин [118,119] показывает, что эксплуатация теплообменных скважин ведется в ламинарном, реже переходном режиме с числами Рейнольдса от 2000 до 5000 в кольцевом пространстве коллектора. Такой режим позволяет потоку теплоносителя эффективно поглощать тепловую энергию запасенную в горных породах, при этом затраты энергии на циркуляцию остаются невысокими. 4.2 Нестационарность теплообмена и учет фактора времени
В процессе эксплуатации теплообменной скважины происходит непрерывный теплообмен между массивом горных пород и теплоносителем. Этот процесс можно считать непрерывным за все время циркуляции. С течением времени интенсивность процесса теплообмена монотонно снижается при условии постоянства температуры теплоносителя подаваемого в скважину, и при этом снижается температура стенки скважины. Также со временем растет радиус зоны теплового влияния теплообменной скважины на массив горных пород, теплообмен, протекающий с таким условием, называется нестационарным [74,87].
Процесс теплообмена в коаксиальном геотермальном коллекторе является процессом нестационарным и поэтому требует учета времени. В связи с этим, для учета фактора времени в первом приближении вместо коэффициента теплоотдачи следует ввести коэффициент нестационарности теплообмена [31]:
В работе [118] проводилось исследование влияния тепло физических свойств материала внутренней трубки на эффективность отбора тепловой энергии. Рассматривались несколько вариантов: два массива горных пород с теплопроводностью 1,4 Вт/(м-К) и 2,8 Вт/(м-К), соответственно. Также рассматривались три вида материалов со следующими теплопроводностями: 0,35 Вт/(м-К), 0,24 Вт/(м-К) и 0. После моделирования всех рассматриваемых вариантов в скважине глубиной 20 м были получены следующие результаты, представленные в таблице 4.1. Таблица 4.1 - Тепловая энергия, полученная от теплообменной скважины, МДж
Согласно данным представленным на графике выше, в течение суток эксплуатации теплообменной скважины, что на практике бывает редко, потери тепловой энергии во внутренней трубке коаксиального теплообменника не превысят 1,5% большую часть времени. Если предположить, что потери тепловой энергии будут увеличиваться прямо пропорционально глубине скважины, то на каждые 10 м глубины скважины они будут составлять не более 0,75%. Таким образом, для расчета эффективной разницы температур на выходе и входе в коаксиальный теплообменный коллектор можно пользоваться формулой (4.28), внося следующую поправку на потери во внутренней трубке, при условии, что она выполнена из пластика:
Процессы теплопереноса в теплообменных скважинах и процессы массопереноса в гидрогеологических - схожи с точки зрения механизмов их протекания. Проектирование гидрогеологических скважин ведется, исходя из представляемых эксплуатационных параметров, таких как требуемый дебит в течение определенного промежутка времени, а также оценивается максимально возможное понижение. Затем, используя эти параметры, и свойства рассматриваемого водоносного горизонта: водопроводимость, коэффициент фильтрации и пр., рассчитывают диаметр и длину фильтровой колонны, и, наконец, конструкцию всей скважины.
К теплообменным скважинам предъявляются следующие эксплуатационные параметры: эффективная разница температур при требуемом расходе теплоносителя в течение определенного промежутка времени. С учетом теплофизических свойств: теплопроводности, температуропроводности и температуры массива горных пород, рассчитывается требуемое количество теплообменных скважин, а также их конструкция, т.е., прежде всего, диаметр и глубина.
И в теплообменных, и в гидрогеологических скважинах рассматриваются потоки, в одном случае тепловой энергии, в другом - воды. Схожесть в подходах к рассмотрению процессов, протекающих в скважинах, позволяет провести где Q - дебит скважины, м /сут; к- коэффициент фильтрации, м/сут; m - мощность водоносного горизонта, м; S - падение напора, м; г - радиус скважины, м; R -радиус зоны питания, м; а - пьезопроводность, м /сут; т - время, сут. В формуле коэффициент An указывает на радиальный характер притока, а знак натурального логарифма - на высокую роль около скважинной области в питании водой.
Нестационарность теплообмена и учет фактора времени
Для постоянного расхода теплоносителя значение удельной тепловой мощности, как и КПД, зависит лишь от разницы температур теплоносителя на конкретных глубинах. Это значение может быть рассчитано следующим образом: где q — удельная тепловая мощность, Вт/м; Att — разница температуры на /-ом интервале скважины, С на длине ht, м. Произведем расчет экспериментальных значений удельной тепловой мощности (рисунок 5.11), пользуясь усредненными значениями температур, указанных в таблицах 5.2...5.5, для следующих интервалов скважины:
В первых двух интервалах уровень удельной тепловой мощности, как и предполагалось ранее выше, чем на глубинах ниже 4 м, что является результатом влияния дополнительного теплового источника - теплотрассы. С глубиной данное воздействие снижается.
На последнем измерительном интервале 8...9 м также наблюдаются повышенные значения тепловой мощности, которые обусловлены влиянием работы погружного насоса. Определим это влияние, пользуясь зависимостью (3.11). Значение А?з 0,25 С, внесем эту поправку в расчет удельной тепловой мощности (рисунок 5.12).
Рассчитаем значения удельной тепловой мощности, пользуясь зависимостями (4.9) и (4.42), и сравним эти значения с полученными в ходе эксперимента. Сравнение будем производить для установившегося режима теплообмена, для промежутка времени от 100 до 480 мин. Результаты сравнения представлены на графике (рисунок 5.13).
Теоретические значения удельной тепловой мощности, рассчитанные двумя различными способами, практически идентичны, начиная примерно с 30 мин циркуляции теплоносителя. Различия в начальный период циркуляции достигают от 16% в нулевой момент времени и снижаются до значения 3% к 30 минуте. В дальнейшем расхождение минимально и не превышает 1%.
Для оценки точности и коррелируемости экспериментальных данных с расчетными произведем статистический анализ и рассчитаем следующие показатели: дисперсию распределения случайной величины, остаточную дисперсию и корреляционное отношение, пользуясь зависимостями (3.12)...(3.14).
По достижении коэффициента корреляции до значений указанных в таблице 5.7 испытания были остановлены. Полученные значения корреляционных отношений близки к единице, что говорит о достаточно высоком качестве аппроксимации экспериментальных данных обеими зависимостями.
Различия в подходах при расчете зависимостями (4.9) и (4.42) заключаются в способе учета нестационарности теплового потока. В первом случае, в качестве критерия используется коэффициент нестационарности теплового потока, а во втором, радиус зоны теплового влияния теплообменной скважины на окружающий массив горных пород. Одновременное применение зависимостей обеспечит дополнительный контроль.
Произведем расчет средних радиусов зоны теплового влияния для каждого интервала тешіообменной скважины с помощью выражения (4.31) в различные моменты времени в ходе испытаний. Результаты представлены на графике ниже (рисунок 5.14).
Увеличение радиуса зоны теплового влияния в различное время в ходе проведения испытания (рядом с графиками указано время в мин)
Ранее условились в ходе испытаний считать массив горных пород изотропным, поэтому проведем усреднение полученных значений (рисунок 5.15). где Ъ — эмпирический коэффициент; ац — температуропроводность горных пород, м /с; т - время, с; D - диаметр скважины, м; с - эмпирический показатель степени. Второе слагаемое в (5.3) введено для того, чтобы в нулевой момент времени значение радиуса зоны теплового влияния было численно равно радиусу скважины. После обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов и подбора эмпирических коэффициентов получена зависимость:
Расчетные значения радиуса теплового влияния, полученные с использованием различных зависимостей достаточно близки. Наибольшие расхождения между зависимостями (4.31) и (5.5) составляют не более 13% и в абсолютном выражении - величину до 3,25 см, что на практике является допустимой погрешностью.
Зависимости (5.5) и (5.4) имеют расхождение лишь на начальном промежутке времени до 15 минуты, которое составляет величину до 15%, после этого момента разница уменьшается до долей процента.
Особенности распределения температуры по глубине скважины отражают характер теплового взаимодействия приповерхностной части массива горных пород, ограниченного поверхностным строением и приповерхностными тепловыми источниками. Температура в скважине уменьшается от устья к забою, эта аномалия связана с тем, что в трех метрах от скважины на глубине 2 м проложена теплотрасса. Средние значения разницы температур на входе и выходе из теплообменной системы, а также их теоретические значения согласно (4.30) приведены на графике (рисунок 5.17). На графике также приведены границы погрешности измерений экспериментальных данных.
Корреляционное отношение экспериментальных и теоретических данных равно 84%, что указывает на то, что зависимость (4.30) хорошо описывает изменение эффективной разницы температур с течением времени. Ввиду невысокой точности единичного измерения (±0,1 С), погрешность измерения по разницы температур составит ±0,2С. На графике (рисунок 5.17) видно, что теоретическая кривая полностью лежит в поле вероятных реальных значений. Таким образом, относительно невысокое значение корреляционного отношения говорит не о слабом описании процесса нестационарного теплообмена в ТС, а о недостаточной точности измерений.
Полученное выражение для определения эффективной разности температур теплоносителя, циркулирующего в коаксиальном коллекторе ТС, может быть использовано как для непосредственного расчета рассматриваемой величины при проектировании ТС, так и для обратных расчетов конструктивных параметров, таких как глубина и диаметр скважин. Достоинством полученной методики расчета является учет всевозможных факторов, оказывающих влияние на процесс теплообмена между теплоносителем и массивом горных пород, таких как: теплофизические свойства горных пород и теплоносителя, режим циркуляции, геометрия каналов, потери тепла во внутреннем канале коллектора и нестационарность теплообмена с течением времени.