Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕШЮПЕРЕНОСА В ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ КОЛЛЕКТОРАХ
1.1. Гидродинамика и теплоперенос в одиночной трещине
1.2. Гидродинамика и теплоперенос в системе параллельных трещин 38
1.3. Гидродинамика и теплообмен в недефоршруемых трещинных коллекторах
1.4. Экспериментальные исследования процессов теплообмена и гидродинамики в проницаемых зонах 4S
1.5. Выводы из обзора и анализа литературы.
Цель и задачи исследований S2
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И ПОТЕРЬ НАПОРА ПРИ РАДИАЛЬНОМ ТЕЧЕНИИ ЖИДКОСТИ В ОКРЕСТНОСТИ НАГНЕТАТЕЛЬНЫХ И ДОБЫЧНЫХ СКВАЖИН
2.1. Цель экспериментальных исследований
2.2. Поляризационно-оптический метод визуализации течения. Экспериментальный стенд. Методика исследований S8
2.3. Визуализация потока при течении по схеме источник-сток І 61
2.4. Экспериментальная установка для исследования радиального расходящегося потока 63
2.5. Результаты исследования распределения давления в радиально-расходящемся потоке жидкости
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ СТРУЙНОГО ПОТОКА ЖИДКОСТИ В ПЛОСКОМ КАНАЛЕ
3.1. Визуализация потока при истечении затопленной струи в зазор между параллельными поверхностями
3.2. Электродиффузионный метод измерения касательного напряжения на стенке и скорости потока 73
3.3. Экспериментальная установка. Электродиффузионные датчики скорости. Методика измерений 8/
3.4. Результаты исследования скоростных характеристик затопленной струи в зазоре между параллельными поверхностями 88
3.5. Результаты исследования развития турбулентного течения в затопленной струе между параллельными поверхностями 32
3.5.1. Исследование развитого турбулентного течения
в струе 38
3.5.2. Исследование переходного режима течения
ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНОГО МЕТОДА РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО-ПЕРЕНОСА В ТРЕЩИННЫХ КОЛЛЕКТОРАХ
4.1. Инженерный метод расчета процессов теплопереноса в трещинных коллекторах 124
4.2. Цель экспериментальных исследований /38
4.3. Экспериментальный стенд и методика проведения исследований
4.4. Анализ результатов и их сопоставления с расчетными методами
ГЛАВА 5. КОМПЛЕЕКСНЫЕ ИСПЫТАНИЯ НАТУРНОЙ МОДЕЛИ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СИСТШЫ И РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ТРЕЦИННЫХ КОЛЛЕКТОРАХ ОПЫТНЫХ ГЦС
5.1. Натурная модель циркуляционной системы
5.2. Результаты испытаний натурной модели циркуляционной системы
5.3; Расчетный анализ процессов теплопереноса в трещинных коллекторах опытных ГЦС и их
технико-экономические показатели
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ .
- Гидродинамика и теплоперенос в одиночной трещине
- Цель экспериментальных исследований
- Визуализация потока при истечении затопленной струи в зазор между параллельными поверхностями
- Инженерный метод расчета процессов теплопереноса в трещинных коллекторах
- Натурная модель циркуляционной системы
Гидродинамика и теплоперенос в одиночной трещине
Простейшей моделью течения в трещине является прямолинейное стационарное течение вязкой жидкости в канале с параллельными стенками (щели). Впервые задача о ламинарном течении вязкой несжимаемой жидкости в щели была рассмотрена Ж.Буссияеском в 1868 г. / Н6 /. Течение данного вида относится к так называемым слоистым течениям / 406 /, характерным признаком которых является существование лишь одной составляющей скорости. Пусть не равна нулю только составляющая и- ( V s 0, W = 0). Из уравнения неразрывности ВНТекаеТ, « g = 0 и УР_ Навье-СТокса д« коор„ X без учета инерционных членов в рассматриваемом плоском случае, когда = 0, принимает следующий простой вид:
Экспериментальные исследования течения воды в щелях кольцеобразной формы и для труб прямоугольного сечения проведены Шиллером / W7 /. Для плоских щелей при ламинарном и турбулентном режимах течения такие исследования наиболее полно проведены Г.М.Ломизе /б1/, 62 / и Лоуисом / /35/, Основной задачей исследований Г.М.Ломизе являлось установление закономерностей течения воды в переходной области между ламинарным и турбулентным режимами, определение связи с этим,критического числа Рейнольдса, а также исследования закономерностей течения в щелях с шероховатыми стенками. Е.С.Ромм / 32 / провел аналогичные исследования с различными жидкостями для сверхтонких гладких щелей с раскрытием до 0,2 № К. На основании полученных в результате опытов данных строились зависимости W-f(j — ) и Л=/(Re.) . Эти зависимости сравнивались затем с аналогичными зависимостями, даваемыми уравнениями (1.8.) и (I.II.) для ламинарного режима течения, а также с известным законом сопротивления Блазиуса для турбулентной области.
Проведенные исследования позволили авторам сделать вывод о том, что в диапазоне 10" /fe I04 движение жидкости в щелях с параллельными стенками строго следует уравнениям классической гидродинамики (1.3.), (1.6.), (1.7.), а критическое число Рейнольдса, при котором происходит переход от ламинарного к турбулентному течению определяется с достаточной точностью и равен 2000. Сделан также важный вывод о том, что влиянием шероховатости стенок на процесс фильтрации в большинстве случаев можно пренебречь.
На рис. 1.4. показаны области применения рекомендуемых законов сопротивления при различных режимах течения в щелях с параллельными и шероховатыми стенками.
Цель экспериментальных исследований
Одним из методов стимуляции и интенсификации разработки геотермальных месторождений, представленных пористыми коллекторами и создания искусственных коллекторов в непроницаемом массиве горных пород, является широко апробированный в нефтепромысловой практике метод гидроразрыва. Идеализированной физической моделью, создаваемой при гидроразрыве трещины, является щель с определенным расстоянием между создающими ее параллельными поверхностями. В ближайшей окрестности скважин принято,в большинстве случаев,схематизировать реальный поток плоско-параллельным радиальным течением. Схема такого типа течения приведена на рис. 1.7 . Наиболее известной и часто цитируемой и используемой в нефтепромысловой и гидрогеологической литературе работой, посвященной обоснованию полуэмпирического уравнения радиального течения воды в щели в условиях ламинарного и турбулентного режимов с учетом перепадов давлений, расходуемых на преодоление сил трения и инерционных сопротивлений, является исследование В.Дж.Бейкера / /S /. Однако, как это показано в главе І, в других областях науки и техники имеется достаточно много исследований и более совершенных подходов к теоретическому обоснованию и решению уравнений радиального течения. Результаты же экспериментальных исследований различных авторов достаточно противоречивы, а диапазон изменения определяющих параметров в приводимых экспериментах существенно ограничен. Как известно, отклонения от закона Дарси (для трещины - Буссинеска) могут быть вызваны либо турбулиза-цией течения, либо значительным влиянием сил инерции. Критическое число Рейнольдса перехода от турбулентного к ламинарному течению для условий радиального потока, которое принимается равным 2000 по аналогии с прямолинейным плоскопараллельным течением в щели, на самом деле может существенно отличаться от этого значения, особенно для условий сходящегося течения. Наиболее распространенным приемом при решении задач, связанных с нерадиальным, вследствии взаимодействия скважин,течением жидкости является предложенный в работах /597Щ/ приближенный метод, при котором наряду с действительными, в рассмотрение вводятся "фиктивные" (укрупненные) скважины радиусом (50 150) Re . Этот радиус установлен из соображения о том, что,на расстояниях больших его,течение жидкости происходит по линейному закону и получен расчётным путем из анализа уравнений радиальной фильтрации при законе Форхгеймера:
В условиях высоких скоростей фильтрации, характерных для присква-жинных зон геотермальных циркуляционных систем, определение их размеров требует более обоснованного экспериментально метода расчета.
Визуализация потока при истечении затопленной струи в зазор между параллельными поверхностями
Визуализация течения выполнена с применением поляризационно-оптического метода на установке и по методике, описанной в 2.2.
Гидравлический канал собирался из двух пластин оргстекла размером 0,28x0,58x0,035 м, прижимаемых друг к другу по периметру струбцинами через прокладку из оргстекла толщиной h = 1,5.10-3 м, вырезанную по конфигурации, обеспечивающей истечение струи жидкости из сопла длиной t = 8.5.I0"3 м и шириной » = З.ІСГ8 м в затопленное пространство, имеющее размеры в плане 0,24x0,42 м. В одной из пластин выфрезированы отверстия и приклеены входной и выходной коллекторы со штуцерами для обеспечения ввода жидкости в сопло и равномерный отвод её из затопленного пространства.
Фотографии визуалированного течения, полученные методом нормальной фоторегистрации с экспозицией І/ЗОе представлены на рис. 3.1-3.3 и отражают эволюционные стадии струи при возрастании числа Рейнольдса, построенного по удвоенной толщине зазора h и средней скорости на выходе из сопла (/?е = У ).
До чисел де = 2000 (рис. 3.1.,а-в) режим течения ламинарный с отчетливо выделенными границами струи и примерно одинаковым углом диффузорности Jb= 2. При этом "дальнобойность" струи прямо пропорциональна числу Rx, . Дальнейшее увеличение числа Re, приводит к появлению в конце основного участка струи поперечной неустойчивости. Ламинарный участок течения постепенно уменьшается в продольном направлении (рис. 3.1.-г; 3.2-а ). При Яе, - 2800 до 30 струя сохраняет свои четкие границы при неизменной практически линейной зависимости её ширины от продольной координаты, а далее вниз по течению становится неустойчивой. При Яе. =3200 до ДуА = 20 сохраняется та же структура струи, а далее происходит её распад с переходом к турбулентному режиму. Режим при Яе 3500 (рис. 3.2. - б,в,г; 3.3.) характеризуется полностью развитым турбулентным течением, начинающимся практически у среза сопла. Угол диффузорности увеличивается (уЗ ц), "дальнобойность" струи уменьшается. Структура течения становится достаточно сложной и зависящей от расстояния вниз по потоку. Увеличение числа Яе приводит также к всё большей потере струей поперечной устойчивости, её внешняя граница имеет резкие изменения угла диффузорности, а геометрия линий тока создаёт их очень извилистую структуру. Инте Toресной особенностью течения в переходной области является возможность перехода к турбулентному режиму в середине основного участка струи (рис. 3.1.-г).
Инженерный метод расчета процессов теплопереноса в трещинных коллекторах
Рассмотрим первоначально уравнение (4.12.) при условии , т.е. без учета теплопритока от вмещающих пород.
Оно принимает вид /35,36/ -125.
Разделим процесс теплообмена породных блоков с движущимся теплоносителем на две стадии:
Зависимость (4.25.) получена для наиболее общего случая теплообмена, и может служить "эталонной" для проверки других решений, выполненных при гораздо большем числе допущений. В частности, решение задачи (4.1.) - (4.6.) в случае использования идеологии коэффициента межфазного теплообмена, т.е. уравнений ( І.5І. ) - ( І..5І. ), может быть представлено в виде / 95 /:
Из сопоставления (4.25.) и (4.27.) следует, что процессы тепло-переноса в стадии регулярного режима и при использовании идеологии коэффициента межфазного теплообмена, описываются зависимостями, имеющими одинаковую структуру.
Формулы (4.25.) и (4.27.) будут полностью совпадать друг с другом в случае Т = " Выразив из этого равенства коэффициент межфазного теплообмена oLT имеем:
В работе П.В.Цоя / W2. / показано, что значение J)i+i (&i) приближенно равно величине темпа нагрева (охлаждения) тела. Следовательно, коэффициент межфазного теплообмена соответствует темпу нагрева (охлаждения) породного блока, отнесенному к его коэффициенту формы.
Натурная модель циркуляционной системы
Изучение физико-механических процессов, определяющих функционирование систем извлечения геотермальной энергии, схематизация этих процессов, завершающаяся разработкой их обобщающей физической модели и моделированием в соответствии с математической моделью, невозможны без накопления и анализа экспериментальных данных, полученных в условиях максимально приближенных к реальности. Натурная модель представляет собой реальный природный объект в определенных геологических условиях, проявляющий все характерные для данного геологического строения функциональные связи, но, вследствие сравнительно малой глубины заложения скважин, его параметры по сравнению с реальными циркуляционными системами могут быть исследованы современными методами гораздо детальнее и с большей степенью достоверности. Последнее обстоятельство является весьма важным для обоснования обобщающей физической модели и разработки на её основе математической модели процессов в целом, которая,в зависимости от соответствия натурной модели реальным условиям на больших глубинах и степени изученности ее геологических параметров,может быть детерминированной или стохастической. Сопоставление результатов, полученных при реализации математической модели с данными натурных наблюдений позволяет подтвердить справедливость физической модели или дает материал для ее совершенствования.
В конечном итоге физическая модель может быть признана удовлетворительной лишь в случае соответствий результатов, получен -152 ных при реализации математической модели и данных натурных наблюдений с заданной степенью точности. Таким образом, процесс извлечения геотермальной энергии можно моделировать по следующей схеме: реальный объект - натурная модель - физические (аналоговые) модели отдельных процессов - обобщающая физическая модель процесса - математическая модель процесса - натурная модель - реальный объект.
С целью обоснования физической модели процессов извлечения геотермальной энергии из трещиноватого коллектора и подтверждения целесообразности предложенного методического подхода в гранитах рапакиви Выборгского массива была создана натурная модель циркуляционной системы / ?/ /. Её созданию предшествовали значительные объемы площадных геологоразведочных работ и определение физико-механических и теплофизических свойств гранитов, приведенных в приложении (табл. /7/-7), В процессе сооружения натурной модели пробурено 10 скважин глубиной 25-30 м каждая. Две из них, использовавшиеся в дальнейшем для организации работ по созданию зоны повышенной проницаемости и нагнетания теплоносителя, имели диаметр 0,125 м, остальные наблюдательные - 0,1 м. Схематический разрез натурной модели представлен на рис. 5.1. После окончания бурения в скважинах, имеющих большой диаметр, произведен камуф-летяый взрыв, который привел к образованию области искусственной проницаемости. Для изучения ее параметров использован комплекс геофизических и гидродинамических методов / 20 /у наиболее эффективными из которых оказались метод визуального телеконтроля стенок скважин и метод акустического просвечивания, с помощью которых удалось установить форму и размеры зоны трещиноватости, образованной взрывом на забоях скважин, а также гидродинамическое прослеживание, благодаря которому можно было оценить активную пористость области искусственной проницаемости.
