Введение к работе
Актуальность проблемы. Освоение нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири в настоящее время происходит в основном за счет северных районов Тюменской области, характеризующихся распространением мерзлых и вечномерзлых грунтов. Основными особенностями проектирования и строительства на таких грунтах являются необходимость учета и регулирования теплообмена с сооружениями и с окружающей внешней средой, прогнозирование тепломассопереноса в грунтах и строительных материалах с фазовыми переходами влаги в них и т.д. Хозяйственная деятельность без учета этих особенностей может приводить и, как непрерывно показывает практика, приводит к нежелательным и к аварийным последствиям.
Тепломассоперенос в промерзающих и оттаивающих грунтах сопровождается различными процессами, среди которых большую роль играют неравновесные эффекты кристаллизации воды и плавления льда в грунте, неравновесный перенос влаги, образование ледяных шлиров, и т.д. и т.п. Только знание закономерностей формирования и развития этих процессов, их влияние друг на друга и на другие физические явления, а также наличие соответствующего математического аппарата для описания их и экспериментально-методической базы для измерения параметров позволяют осуществить научно-обоснованное прогнозирование и управление хозяйственной деятельностью безопасное для человека и окружающей среды и эффективное с экономической точки зрения.
В настоящее время имеется целый рад теоретических и экспериментальных работ, посвященных этой тематике. Среди работ сыгравших большую роль в развитии различных сторон этого направления можно назвать работы таких авторов как Ананян А.А., Андрианов П.И., Вотякова И.Н., Втюрин Б.И., Втюрина Е.А., Вялов С.С., Глобус A.M., Гречищев С.Е., Дерягин Б.В., Ентов В.М., Ершов Э.Д., Жесткова Т.Н., Иванов Н.С., Кудрявцев В.А., Мартынов Г.А., Медведский Р.И., Мельников П.И., Нерсесова З.Е., Орлов В.О., Павлов А.В., Порхаев Г.В., Пузаков Н.А., Рубцов Н.А., Савельев Б.А., Тютюнов И.А., Фельдман Г.М., Цытович Н.А., Чистотинов Л.В., Чудновский А.Ф.
Однако многие физические процессы, протекающие в мерзлых грунтах и замеченные в ряде экспериментальных работ, не нашли отражения в созданных теоретических моделях. В основном это касается процессов неравновесного фазового перехода воды в грунтах, особенностям движения влаги в мерзлой зоне и образования ледяных шлиров.
Существует необходимость в выдвижении новых физических моделей, описывающих уже известные на практике явления, дать математические постановки задач на основе соответствующих законов сохранения, разработать эффективные методы решения и предложить обоснованные эксперименталь-
ные методы определения параметров входящих в физические модели и математические постановки.
Цель работы. Диссертационная работа посвящена исследованию нерав новесных фазовых превращений влаги и тепломассопереносу в талых и мерз лых фунтах, а также сопутствующих явлений, возникающих при обустройсті нефтяных месторождений.
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими положениями:
-
Установлены закономерности неравновесной кристаллизации вл; и плавления льда в грунтах на основе экспериментальных иссле; вашій, проведенных по разработанным методикам, новизна и з фективность которых защищены авторскими свидетельствами изобретения
-
Предложена математическая постановка нелинейного тепломассої реноса в грунтах с учетом неравновесных фазовых переходов вл; и миграционными процессами в талой и мерзлой зонах.
-
Для исследования возникающих задач использованы численные і тоды, а для некоторых задач, в том числе для существенно немої тонных, предложен приближенный метод решения, основанный построении сужающей системы оценок сверху и снизу и имеют гарантированную точность.
-
Предложена и аналитически описана не противоречащая практі теория образования ледяных шлиров, как следствие потери усті чивости движения подвижной границы в задаче промерзания пер начально однородных влажных грунтов. Получен простой авали' ческий критерий устойчивости.
-
Предложены приближенные аналитические методы решения тр мерных задач теплового взаимодействия произвольных систем v ловыделяющих трубопроводов (коридоров коммуникаций) с веч: мерзлыми грунтами. Сформулирован вариационный принцип, поз ляющий в некоторых пределах управлять погрешностью решени: зависимости от содержательной сущности задачи.
-
Предложен метод статистической обработки данных измерение целью получения регрессионных уравнений без априорного задаї аналитического вида зависимостей.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Физическая модель неравновесной кристаллизации влаги в грунтах, учитывающая характерное время процессов на основе кинетической модели первого порядка, подтвержденной экспериментально.
-
Закономерности изменения характерного времени фазового перехода в различных грунтах.
-
Математическая постановка задачи нелинейного тепломассопереноса с учетом предложенной кинетической модели фазового перехода.
-
Доказательство адекватности предложенной математической постановки.
-
Аналитический метод приближенного решения нелинейных немонотонных задач теплопереноса с фазовыми превращениями, позволяющий добиться гарантированной точности путем построения сужающей системы оценок решения сверху и снизу.
-
Возможность образования ледяных шлиров при промерзании влажного грунта - как следствие потери устойчивости движения фронта промерзания.
-
Метод приближенного решения комплекса задач теплового взаимодействия системы различных трубопроводов (коридоров коммуникаций) с вечномерзлыми грунтами.
-
Закономерности изменения теплофизических свойств грунтов Тюменского севера, полученные с помощью разработанной методики статистической обработки данных.
Практическое значение.
Развитые в работе теоретические положения и экспериментальные разработки использованы в проектировании обустройства нефтяных месторождений:
При инженерно-строительных изысканиях путем определения фазового состава влага и теплофизических свойств. Разработанные методы полевого и лабораторного определения тепло- и водно-физических свойств грунтов позволяют значительно повысить эффективность инженерно-строительных изысканий и тем самым принимать надежные технические решения при проектировании обустройства нефтяных и газовых месторождений.
При определении возможности применения термосвай в качестве н сущей конструкции путем прогнозирования совместного влияния с зонных процессов и охлаждающего эффекта на устойчивость ее раб ты.
При определении времени безопасной остановки теплых нефтепров лов и водоводов в мерзлых фунтах.
При определении сезонной динамики температурных полей для пр вильного выбора технических решений по прокладке нефтепровод и водоводов в сезонном слое грунтов.
При реализации рациональных схем сложных многониточных кор доров коммуникаций, прокладываемых в мерзлых и вечномерзлі грунтах, путем разработки с использованием предложенной методш оптимальной конфигурации "поперечника. Условие немонотонного і менения температуры вдоль трубопроводов дает возможность реализ вать "почти" изотермический режим перекачки нефти и воды, что северных районах может иметь принципиальное значение.
При построении по предложенному алгоритму регрессионных пр гнозных зависимостей для определения теплофизическнх, воднофиз ческих и других важных для строительства свойств грунтов на осно существующих данных, что позволяет значительно снизив объемы п левых изыскательских работ, уменьшить воздействие на окружающ; среду и повысить экономическую эффективность строительства.
Практические результаты полученные в диссертационной работе бы положены в основу следующих нормативных документов:
Инструкция по теплотехническим расчетам при проектировании не тяных промыслов. РД 39 - 0147323-604-86. -1986
Рекомендации по прокладке промысловых водоводов и нефтепровод в одной траншее. РУ 12-87. -1987
Инструкция на проектирование совместной прокладки промыслов: водоводов и нефтепроводов в одной траншее. РД 39-0147323-614-88: 1990.
Методика прогнозирования физико-механических и теплофизическ свойств грунтов нефтяных месторождений. РД 39Р-0148463-0005-89 1990.
Методика расчета теплового взаимодействия в системе «тепловые і точники - основание резервуара -резервуар - окружающий груц СТП 57.00.009.-86. -1987
Определение коэффициентов теплопроводности фунтов сравнитеі ным методом. СТП 0147323.014 - 87. -1987
Проектирование нефтепромысловых трубопроводов, прокладываемых
в условиях распространения вечномерзлых фунтов. СТП 0147323.020-
88
Обоснованность и достоверность представленных в диссертации теоретических постановок определяется способом их вывода из соответствующих законов сохранения и сравнением результатов моделирования с приведенными в научной литературе и полученными в работе экспериментальными данными. Надежность численных методов контролировалась соблюдением балансовых соотношений. Достоверность экспериментальных исследований следует из результатов анализа погрешностей и традиционных способов проверки надежности замеров, а также из защищенности большинства разработанных методик авторскими свидетельствами на изобретения.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных и научно-практических дискуссиях:
Зональная научно-практическая конференция "О деятельности НИИ, проектных институтов и вузов по разработке новых прогрессивных технических решений и их внедрение в производство". Тюмень, 1979.
Всесоюзная школа-семинар "Исследование состава, строения и свойств мерзлых, промерзающих и оттаивающих пород с целью наиболее рационального проектирования и строительства". Москва, 1981.
Всесоюзное совещание "Опыт строительства оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтов" (13-15 октября 1981 г., Воркута), 1981.
Проблемы геокриологии Забайкалья, Чита, 1981.
Первый Всесоюзный семинар "Проблемы теплофизического приборостроения", Киев, 1982.
Всесоюзная школа-семинар "Геокриологический прогноз в осваиваемых районах Крайнего Севера". Москва, 1982.
Научно-техническое совещание "Проблемы применения ледовых сооружений на Тюменском Севере". Тюмень, 1982.
Проблемы геокриологии Забайкалья, Чита, 1984.
Всесоюзное совещание "Геокриологический прогноз при строительном освоении территории". Воркута - Москва, 1985
Всесоюзное совещание о повышении уровня и эффективности а томатизации проектных работ. Москва, 5-7 июня 1984 г., Госстр< СССР.
Инженерно-геологические изыскания в области вечной мерзлот Благовещенск, 1986.
Проблемы инженерно-геологических изысканий в криолитозок Магадан, 1989.
Первый Всесоюзный съезд инженеров-геологов, гидрогеологов, ге криологов "Проблемы инженерной геологии, гидрогеологии, ге криологам районов интенсивной инженерной нагрузки и охраг окружающей среды", Киев, 1989.
Международный симпозиум "Геокриологические исследования Арктических районах". Ямбург, 1989.
Всесоюзный семинар "Теплообмен и теплофизические свойства м териалов, Новосибирск, 1991.
Первая конференция Российских геокриологов. Москва, 1996.
Отдельные результаты работы обсуждались на семинарах ведущих сп циалистов по теплофизике, геокриологии, математике в Институте теплофиз ки СО АН СССР, кафедре мерзлотоведения МГУ, институте математики С АН СССР.
Публикации. По теме диссертации выпущено 98 публикаций (из ні одна монография) и получено 17 авторских свидетельств на изобретения.
Структура диссертации. Диссертация объемом 368 стр машинописно текста состоит из введения обзорной части, 7 глав, около 74 рисунков, оснс пых результатов и выводов, списка литературы, и оглавления.
Исследования проводились в теплофизической лаборатории Гипроті меинефтегаза. В совместных публикациях автору лично принадлежит пост новка задач исследования и в большинстве случаев научное руководство, ра ное с соавторами участие в выборе методов решения поставленных задач равное с соавторами участие в обсуждении результатов. В совместных изобр тениях автору принадлежит постановка задачи и идея изобретения, роль авт ра в реализации изобретения отмечена в материалах в принятой форме.
Автор выражает глубокую благодарность доктору геолог минералогических наук, профессору Ершову Эдуарду Дмитриевичу, в неп среаственном творческом контакте с которым работал в течение длительно времени, а также коллективу возглавляемой им кафедры мерзлотоведен