CC BY
36
СЕМИНАР 16
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© Н.Ю. Смайльс, 2001
УДК 622.831.322.234.42
Н.Ю. Смайльс
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ ВСПЛЫВАЮЩЕЙ СТРУИ ПРИ ПОДЗЕМНОМ РАСТВОРЕНИИ ПЛАСТОВ КАМЕННОЙ СОЛИ
В УСПОВИЯУ ЗАГПУСПЕННОЙ ВОПОПОПЛиМ
практике подземного растворения пластов каменной соли через индивидуальные вертикальные скважины применяются управляемые способы подземного растворения, к которым относятся послойный способ, способ заглубленной водоподачи и способ конвективного смешания с заглубленной водоподачей [1]. Способы используют одинаковую 3-х трубную конструкцию скважины, где герметично закрепляется система труб (по принципу труба меньшего диаметра в трубе большего диаметра), через одну из которых подается растворитель (вода), а через другую - откачивается на поверхность кондиционный рассол для выпаривания. В межскважинное пространство закачивается нерас-творитель, при помощи которого осуществляется управление процессами растворения и формообразование подземной камеры. Чаще всего на рассолопро-мыслах в качестве нерастворителя используются нефтепродукты: солярка, дизтопливо или сырая нефть, обладающие меньшей плотностью по сравнению с рассолами, что позволяет нерастворителю находиться на его поверхности, препятствовать растворению вышележащего соляного массива и вести послойную (ступенчатую) отработку пластов соли. Технологические схемы управляемых способов отличаются уровнем водоподачи [2]. В послойном способе водоподающая колонна устанавливается в кровлю отрабатываемого слоя, а два других способа связаны со спуском водоподающей колонны до 20-100 м в объем разрабатываемой камеры от кровли выработки, что и обуславливает заглубленную водоподачу.
Новый способ беспослойного растворения пластов каменной соли также применяет 3-х трубную конструкцию скважины и заглубленную водоподачу, однако, в отличии от управляемых способов, при растворении выработки не используется нерастворитель [3]. При этом процессы растворения и формообразования
камеры связаны с закономерностью сферического формирования подземной выработки [4, 5] и воздействием всплывающего потока в условиях заглубленной во-доподачи. В данных условиях, в отличии от управляемых способов, когда предусматривается растворение всего вышележащего массива без ограничения высоты ступени нерастворителем, возникает опасность опережающего размыва вертикальной части выработки. Во избежание опасных технологических последствий проводятся исследования по изучению динамики движения всплывающей (восходящей) струи при заглубленной водоподаче, которые позволят определить дальность действия (высоту подъема) всплывающей струи, что связано с растворением породного массива по вертикали, а также выявить зависимость влияния концентрационной стратификации среды рассолов на всплывающую способность струи-потока.
Исследования проводились в лабораторных условиях на основе метода физического моделирования. Лабораторная установка имитирует жидкостную среду подземной камеры и водоподающую колонну, через которую поступает растворитель. Для этого прозрачная емкость заполнялась рассолом на высоту 24 см. В притертой крышке из пенопласта закреплялась химическая трубка-пипетка. Один конец трубки находился внизу емкости на расстоянии 3 см от дна, а другой -снаружи над крышкой, где была закреплена резиновая груша для подачи растворителя. Для имитации жидкостной среды камеры производилась поэтапная замена рассолов по возрастанию плотности р=1,0...1,2 г/см3, что обусловлено растворением соли и увеличением концентрации рассолов и размеров камеры. Имитация потока растворителя осуществлялась подачей подкрашенной струи воды, определяемой объемом жидкости (V, мл, см3, л), временем поступления (Т, с, мин, час), производительностью ^, см3/с) и скоростью (Цо, см/ч, см/с).
Гидродинамика движения потоков в камере с заглубленной водоподачей связана с подачей струи, направленной вертикально вниз в стратификационную среду рассолов. Струя, погружаясь до какой-то глубины в рассолах большей плотности тормозится архимедовыми силами, на некоторой глубине (Х) реверсирует и поднимается вверх. Такая всплываемая струя, характеризуемая турбулентным течением, генерируемая конечным источником, который испускает с постоянной скоростью потоки массы, импульса и плавучести, Мортон назвал вынужденной плавучей струей [6].
Этот источник характеризуется такими физическими параметрами, как расходами плавучести р^0 и импульса Р1М0. Для источника с плотностью тяжелее окружающей среды, при движении направленном вверх, когда импульс непрерывно уменьшается силами плавучести до тех пор, пока не обратится в нуль и последующего увеличения, будучи направленном вниз, высота подъема струи определялась отношением: г= 1,85 М03/4 F0-1/2.
В интерпретации экспериментов [7], когда жидкость выводится из сопла радиуса г0 со скоростью Ц0 характеристиками струи являются М0 - начальный импульс вынужденных сил и F0 - исходная плавучесть струи
М0 = ОТ02 Ц02 и Fo = ^ Г02 Ц0
go = go
Ра
Ра
Р- и g0 = 9,81 м/с2 ;
где g0 - сила плавучести; р а и р0 - плотность среды и входящего потока, г/см3.
Тогда высота подъема потока 2т определяется отношением, где отношение высоты подъема к радиусу сопла прямо пропорционально числу Фруда F(r):
ъ.
и
= F(r) ;
Определяющими критериями подобия при физическом моделировании являлись критерий Фруда (1) и критерий Прандтля (2):
Fr = V2 / gl (1)
и Рг = V / Д (2)
где Ц0 - скорость истечения жидкости из колонн; 1 -высота зоны движения струи; Д - коэффициент молекулярной диффузии, V - коэффициент молекулярной вязкости. Поскольку условие Pr=idem автомодельны для модели и натуры, то условие Fr=idem позволяет выбрать производительность подачи растворителя на модельной установке Q в соответствии с теорией подобия:
Qm = Qn
где индексы «п» и «т» отно-
сятся к натуре и модели; г0 - радиус водоподающей колонны. Соблюдение адекватности динамических условий модели натурным на входе и выходе обеспечивают достоверную циркуляцию потоков растворителя и в самой камере.
Глубина погружения струи ориентировочно оценена по зависимости, предложенной Б.И. Давыдовым и Ю.А. Шаховым [8] и установлено, что погружение зависит от ее компактности и производительности сква-
жины. В определении высоты всплывающей струи не было необходимости, поскольку технология управляемых способов растворения предусматривает отработку ступени с изоляцией ее потолочины нерастворителем, который ограничивает высоту растворения по вертикали. В этом случае движение всплывающего потока, достигая нерастворителя, направляется вдоль горизонтальной поверхности ступени и образует возвратный поток по поверхности растворения стенок выработки. В развитой вертикальной выработке (например, в способе заглубленной водоподачи) отмечается, что выше подъема струи образуется зона гравитационной (естественной) конвекции с направленностью вниз градиента плотности, но высота подъема струи Нтах ранее не определялась. В этой связи первая серия лабораторных экспериментов по исследованию динамики всплывающей струи предусматривала: 1. визуальные наблюдения поведения всплывающей струи в жидкостной среде переменной плотности рср= 1,0... 1,2 г/см3 при постоянной плотности струи-растворителя рр = 1,0 г/см3; 2. определение высоты подъема (Нтах) всплывающей струи при рр = 1,0 г/см3 в жидкостной среде переменной плотности рср= 1,0... 1,2 г/см3 . Проведение экспериментов сопровождалось заменой водоподающих трубок, имеющих разные диаметры выходного отверстия (насадки) 0,09; 0,12 и 0,15 см, а также необходимым условием наблюдений считалось свободное всплывание струи до выхода ее на поверхность рассола, что соответствует дальности действия струи без ограничения нерастворителем.
Первая серия лабораторных экспериментов завершилась при показаниях плотности жидкостной среды рср= 1,11 г/см3 и рр=const = 1,0 г/см3, что обусловлено выходом всплывающей струи растворителя на поверхность заполненной емкости высотой 24 см. Динамика поведения вертикально всплывающей струи в диапазоне плотности рассолов рср= 1,0... 1,10 г/см3 существенно отличаются друг от друга. Всплывающий поток в зависимости от плотности среды трансформируется и качественно изменяется. Так, например, при рср=рр=1,0 г/см3 наблюдается образование цветного плоского круга, который на уровне дна емкости распространяется в радиальном направлении, при этом гидродинамические условия струи равны нулю (2И =0). Увеличение плотности до рср =1,01-1,02 г/см3 приводит к образованию факельной формы всплывающей струи, причем при рср =1,01 г/см3 более узкой, а при рср = 1,02 г/см3 более широкой в верхней части. Общая высота поднятия струи до высоты Н=17 см говорит о большой всплывающей способности затопленной струи. Увеличение плотности среды до 1,03 г/см3 качественно изменяет форму всплывающей струи-потока. Нижняя часть представляет собой восходящий поток вдоль химической трубки, а верхняя - приобретает форму раскрывающегося веера. Общая высота
2
г
0
т
подъема струи достигает Н=13-15 см. При рср = 1,04 г/см3 изменяется только верхняя часть потока, образуя облако округлой формы. Высота пробега (нижняя часть струи) достигает Н=12 см. При значениях р ср= 1,01... 1,04 г/см3 наблюдается понижение высоты всплывания от 17 до 12 см. Дальнейшее увеличение плотности рассола до рср= 1,05 и 1,06 г/см3 приводит к изменению нижней части всплывающей струи к виду факела. Верхняя часть потока сохраняет форму облака. Высота пробега увеличивается до И= 10-11 см, при общей высоте потока Н=13-15 см. Увеличение среды рассола до рср = 1,07 и 1,08 г/см3 характеризуется формированием облака яркого цвета на высоте Н=14 см и частичным поднятием светло окрашенного облака до Н=18 см и последующим опусканием до отметки 14 см, при этом высота пробега не изменяется И=10 см.
С увеличением рср = 1,09 г/см3 образуется веерообразная струя пробега при той же высоте И=10 см. Высота облака не превышает 11-15 см. Значение плотности среды 1,10 г/см3 является последней для всплывающего потока при высоте заполнения лабораторной емкости 24 см. В этом случае наблюдается увеличение высоты пробега И= 12-13 см, и в одном из опытов высота облака достигает Н=15-17 см, а в другом - Н=19-20 см с последующим поднятием на поверхность рассола. Увеличение плотности среды рассолов до рср = 1,11 г/см3 однозначно во всех случаях показывает пробег струи на высоту заполненной емкости с выходом на поверхность.
Имея исходные данные экспериментов Т, Q, ио, V определим значения начального импульса вынужденных сил М0, исходной плавучести Fo и гидродинамические условия 2И восходящей конвективной струи. С учетом переменных размеров сопла (выходного отверстия) при диаметрах 0,09; 0,12 и 0,1 см определен интервал скоростей лабораторной установки, который характеризуется и0=9...25 см/с.
Действие начального импульса определено степенью перемешивания и плотностью жидкости в струе в любой
Рис. 2. Изменение исходной плавучести струи от скорости выходного потока при диаметре насадки dн=0,09 см
Рис. 3. Изменение исходной плавучести струи от скорости выходного
потока при диаметре сопла Н=П 12
Рис. 1. Зависимость начального импульса вынужденных сил М0 от скорости по-Рани -раИзмцнетия йикопямойелопуа раз-
неетидетмир^сМрІктірвьшамщре 0,09 см; МтЗкпрпрЦ! адиаметре2 ямзаМй- при Дввмегря 0,15 см
точке. Известно [6], что начальный импульс действует на плавучесть до 15-20 диаметров сопла. Для экспериментов это расстояние не более 3 см. Эмпирическая зависимость начального импульса вынужденных сил М0 от диаметра сопла лабораторной установки представлена на рис. 1.
Известно, что подъемная сила ускоряет поток жидкости и приводит к большему перемешиванию. Но чем больше перемешивание, тем меньше остаток плавучести и меньше ускорение и т.д. [9]. Определение исходной плавучести F0 связано с расчетами в одном случае , когда OT2=const и U0= const (рис. 2, 3, 4) в интервале скоростей U0=9...25 см/с, а в другом - OT2=const, go=const (рис. 5). Графики рис. 5 показывают количественное изменение исходной плавучести струи от увеличения плотности среды рассолов и скорости струи на выходе при изменении диаметра насадки.
Определение гидродинамических условий всплывающей струи (потока) связано с соотношением [10]: Z* = Мо / Fo ^ Uo / g'o (с)
2 -
N 1 5 1 1
0, 5
И И М и;; р
□ и0=9
□ ио=11
□ ио=13
□ и0=15
□ ио=17
□ и0=21
□ и0=25
до1
Откуда следует, что гидродина-
мические условия конвективной восходящей струи характеризуются отношением скорости растворения на выходе и ускорением движения всплывающей струи при градиенте плотности среды рассолов и поступающего растворителя (или силой плавучести g1o). Гидродинамические условия являются определяющими формообразования подземной камеры, так, например, известно, что выполаживание верхней части боковой поверхности камеры соответствует предельному радиусу, более которого размыв ступени нецелесообразен и цилиндрическая форма выработки в лабораторных условиях сохраняется при 2И > 0,50,6 с [10]. Результаты расчетов экспериментальных данных, приведенные на рис. 8 при лг2=сопб^ показывают, что с увеличением силы плавучести гидродинамика всплывающей струи уменьшается. Область 2И, отмеченная для экспериментов на рис. 6, соответствует плотности жид-
костной среды рср =1,015.. 1,06 г/см и возрастает с увеличением скорости струи на выходе (и0).
Результаты первой серии экспериментов являются только началом
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
■ и
■ □ П
У ■
в г
сч ю_ ю_
о" о" со" Г-- со ю"
юг^ют-ч-ч-сою
со^-осоююю»,'
д01
□0
70
60
50
40
30
20
10
0
■ п □
:;и
фф оо I4-
(ОГ^СОТ-^^ГОЮ СО Ф СО Ю (О (О г0“
см' о” I"-’’ ю" см” о' (О (О
д01
■ и0=9
■ и0=11
■ и0=13
□ и0=15
■ ио=17
□ и0=21
■ и0=25
■ и0=9
■ и0=11
■ и0=13
□ и0=15
■ ио=17
□ и0=21
■ и0=25
■ и0=9
■ и0=11
■ и0=13
□ и0=15
■ ио=17
□ и0=21
■ и0=25
3
2 5
0
исследований динамики всплывающей струи. В ограниченном диапазоне среды рассолов до 1,10-1,11 г/см3, обусловленным выходом струи на поверхность можно сделать следующие предварительные выводы.
1. Увеличение градиента плотностей среды рассолов (рср= 1,0..1,11 г/см3) и растворителя (р р=1,0г/см3=сош^, приводит к общему росту всплывающей способности струи и увеличению высоты всплывания. При этом наблюдается не плавный, а скачкообразный рост подъема струи, сопровождаемый последующим некоторым понижением высоты всплывания.
2. Увеличение плотности рассолов связано с трансформацией (изменением) всплывающей струи, при этом выделяются несколько стадий: 1) стадия преобразования узкого факела до формы широкого веера в пределах плотности рассолов 1,01 до 1,03 г/см3, что соответствует значениям гидродинамических условий 2И=0,9 с и от g1o=9,71 см/с2 до g1o=28,57 см/с2; 2) разделения всплывающего потока на нижнюю часть и зарождение и образования облака в верхней части. Такая форма всплывающей струи сохраняется до конца всех экспериментов, начиная со значения плотности среды рассолов 1,05 г/см3, g1o=46,71 см/с2 и 2И=0,5-0,6 с; 3) стадия изменения нижней части струи (пробега) от тонкой до образования формы веера и увеличением высоты пробега струи от 6 до 1314 см в интервале плотности рассолов рср= 1,05.. 1,11 г/см3 значениях g1o=55,53 - 97,22 см/с2 и 2И=0,1-0,4 с.
Рис. 5. Графики зависимости исходной плавучести (FO) от скорости потока (UO) и разной плотности среды рассолов: g01=9,71 см/с2 (красные точки); g03=97,22 см/с2 (зеленые точки); g05=163,50 см/с2 (синие точки) для диаметров насадок 0,09, 0,12 и
0,15 см
Рис. 6. Графики зависимости гидродинамики всплывающей струи от увеличения градиента плотности среды рассолов и растворителя ( А р ) при Пг02 = const
3. Увеличение А р среды и растворителя связано с возрастающей способностью всплывающей струи, что подтверждается эмпирически графиками F0=/(g^) рис. 5 и экспериментами, показывающими увеличение всплывающей активности поднятия струи от 0 до 24 см.
4. С увеличением плотности среды рассолов или А р наблюдается увеличение высоты пробега струи при молом угле отклонения относительно трубки. Распространение потока, наблюдаемое по окрашиванию рассолов емкости, возникает только в верхней части при формировании облака. Гидродинамические условия с увеличением градиента плотностей среды рассолов и растворителя уменьшаются, но увеличивается всплывающая активность струи в условиях плотности среды 1,0-1,11 г/см3 и растворителя 1.0 г/см3.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Романов В.С. Пути улучшения эксплуатации скважин при разработке каменносоляных месторождений методом подземного выщелачивания. //Разработка солей способом подземного выщелачивания.-Л.: тр. ВHИИГ, 1975, вып.7б.
2. Каратыгин В.П., Кулбанов
A.В., Пустыльников Л.М., Чанцев
B.П. Подземное растворение соляных залежей (проблемы, моделирование, управление).-С.-Петербург, Гидроме-теоиздат, 1994.
3. Айруни А.Т., Смайльс Н.Ю. Методические рекомендации по моделированию процесса созхдания камер растворением солей беспослойным
способом.- Тр. ИПКОН АН СССР, 1985г. с.20.
4. Смайльс Н.Ю. Формирование подземных камер в растворимых породах. //Горный журнал.-М7.-с.18-20.
5. Царенков Ю.В. Закономерность развития поперечсного сечения тоннельной камеры, создаваемой в каменной соли.//Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - М.: 1981, N4x 8.
6. Morton B.R. Porced plumes. -J. of Pluid. Mech., 1959, v.5,N1-2, p.151-163.
7. Тернер Дж. Эффекты плавучести в жидкостях.- М, Мир, 1977, с.188-200.
8. Давыдов В.И., Шахов Ю.А. О закономерностях влияния погружения водоподачи и формирование концентрационной стратификации в камерах подземного выщелачивания. - Л.: ЛТИ, ОНИИТЭХИМ, N448/75 деп.
9. Корчагина Е.Н. Расчет параметров области заглубленной водопо-дачи в подземной камере растворения солей. -Л.: ВНИИГ,1981,с.21-29.
10. Корчагина Е.Н., Коновалова А.Г. Моделирование размыва зумпфов рассольных камер //Теория и практика подземного выщелачивания соляных месторождений. - Л.: ВНИ-ИГ, 1984, с.66-75.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
ІС Смайльс Наталья Юрьевна - кандидат технических наук, научный сотрудник ИПКОН РАН.
и
7
