О глубине погружения вертикально направленной струи в среде насыщенных рассолов камеры Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Н.Ю. Смайльс, 2003

УЛК 622.831.322.234.42

Н.Ю. Смайльс

О ГЛУБИНЕ ПОГРУЖЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНО НАПРАВЛЕННОЙ СТРУИ В СРЕЛЕ НАСЫЩЕННЫХ РАССОЛОВ КАМЕРЫ

Практика подземного растворения широко используется при строительстве емкостей-хранилищ в формациях каменной соли и при добыче хлоридно-натриевых (ИаС1) рассолов. Через скважины, пробуренные с поверхности и систему водоподающей и рассолозаборной труб, в результате растворения, получают подземные камеры, размеры и формы которых определяются технологическим предназначением и полнотой извлечения полезного ископаемого [1, 2]. В настоящее время на практике используются управляемые способы, позволяющие управлять процессами растворения и формообразования подземной выработки. При помощи искусственно подаваемого в скважину нерас-творителя, в качестве которого чаще всего используются нефтепродукты, добиваются отработки камеры снизу вверх отдельными слоями-ступенями, что и является принципом управляемых способов подземного растворения [3, 4, 5].

Предлагаемая технология способа беспослой-ного растворения пластов каменной соли основана на принципиально новом подходе формообразования подземной выработки. Основная идея способа заключена в закономерности сферического формообразования камеры и развития куполообразной потолочины при растворении всего вышележащего породного массива соли [6, 7]. Технология способа исключает при этом последовательную отработку отдельных слоев-ступеней заданной мощности, а также применение нерас-творителя (нефтепродуктов) в управлении формой выработки. Беспослойный способ включает набор известных технологических приемов, режимов, параметров, встречаемых при стихийном формообразовании камер и управляемых способах подземного растворения. Определение отдельных технологических параметров, влияющих на форму выработки и общее последовательное объединение их [8,9], согласно условиям свободного растворения всего породного массива соли, дает основание для новой технологический схемы. Однако, чтобы исключить повторения недостатков стихийного формообразования выработки: опережающего развития потолочины, приствольного размыва, недоработку диаметра камеры и т.д., - необходимы исследования каждого технологического параметра в отдельности. Данная работа включает исследования режима заглубленной водоподачи, связанного с динамикой движения растворителя в рассольной среде камеры. В этом случае необходимо определить влияние всплывающей активности струи на растворение по-

толочины камеры во избежание перечисленных недостатков.

Режим заглубленной водоподачи определен следующими технологическими условиями. Конец (башмак) водоподающей колонны опускается от 20-50 до 100 м (20 м в начальный период) ниже кровли формируемой ступени (слоя) [10] с учетом стратификации рассольной среды в зону рассолов повышенной плотности. Конец рассолозаборной колонны устанавливается на уровне кровли ранее отработанной ступени для откачки кондиционного рассола плотностью рср = 1,2 г/см3, что соответствует концентрации С = 306^316,7г/л, необходимой для выпаривания соли. Растворитель при этом может иметь плотность подаваемой воды рр = 1,0 г/см3 , либо плотность слабого рассола, полученного ранее при отработке фор-камеры рр = 1,152^1,152 г/см3, что соответствует концентрации С = 250 г/л [11, 12].

Гидродинамическая картина представляет собой замкнутый цикл движения потоков внутри камеры [11, 12, 13]. В условиях заглубленной водоподачи струя растворителя с определенной начальной плотностью, скоростью, начальным импульсом, попадает в зону насыщенных рассолов. Под действием напорных сил скважины струя проникает на некоторую глубину, изменяя при этом начальную плотность, импульс вынужденных сил (М0 = пг02и02), тормозится под действием сил трения с насыщенными рассолами, на какой-то глубине погружения реверсирует и начинает подниматься вверх. Движение растворителя вверх обусловлено выталкивающими силами (или силами плавучести), зависящих от разности плотностей окружающих рассолов и растворителя. Поднимаясь в стратификационной среде камеры в зону рассолов меньшей концентрации, поток растворителя теряет активность, уравновешивается относительно рассольной среды, зависает, останавливает движение вверх и рассеивается в объеме камеры. Дальнейшее равновесное движение растворителя в рассольной среде обусловлено гравитационной конвекцией или диффузионным обменом.

Начальной задачей исследований в замкнутом цикле циркуляции потока растворителя в рассольной среде камеры являлся фрагмент движения струи вниз до остановки, или реверса, т.е. определение глубины погружения растворителя в зоне насыщенных рассолов (рср = 1,2г/см3) с учетом изменения плотности растворителя при эжекции с окружающими рассолами (рр = 1,0^1,2г/см3).

Исследования проводились на основе математического анализа известных ранее формул определения глубины погружения слабых рассолов в зону более насыщенной среды. Плотность среды рассолов камеры принималась рср = 1,2 г/см3, а плотность растворителя с учетом эжекции с рассолами камеры изменялась в интервале рр = 1,0^1,2 г/см3. Для упрощения расчетов введен показатель разности плотностей окружающей среды и растворителя Ар = (рср-рр), что в

свою очередь облегчает сопоставление результатов расчетов при переменных значениях рср и рр от Ар^

до Артах.

В литературе известны формулы, определяющие глубину погружения потока [10, 12-16], однако условия погружения не оговорены. Так, например, в работе [16] дается формула глубины погружения струи более легкой жидкости в более плотную среду рассолов, что в какой-то мере соответствует условиям заглубленной водоподачи (1) [16]:

X

2тп

= ЪЛг т ^ X = 2гпЪЛг"

(1)

где г0 - эквивалентный радиус выходного отверстия (при размере технологических труб 245х146 см) г0 = 0,085 м; Ь = 1,45+1,73; т = 0,5+0,53 - эмпирические коэффициенты; Аг - критерий Архимеда

2ёг(

Р

Аг =-----2— (1-----) , где д-скорость свободного па-

и0 Р п

дения, д = 9,81м/с2 ; и0 - начальная скорость исходящей струи, и0 = О/Б0; О - производительность скважины м3/ч (Оскв = 10+80 м3/ч); Б0 - площадь выходного отверстия, Б0 = 0,023 м2; р 0 - текущая плотность растворителя, с учетом эжекции с окружающими рассолами камеры, принимаются значения

1,0ч1,2 г/см ; р п - плотность среды рассолов в условиях заглубленной водоподачи равна 1,2 г/см3.

Расчеты формулы (1) основаны на критерии Архимеда, поэтому рассмотрим зависимости критерия. Критерий Аг зависит от производительности скважины и разницы сред рассольной среды и растворителя (Ар) При одинаковых технологических параметрах 2дг0, Б0 и Оскв = 10+80 м3/ч на рис. 1 представлены зависимости изменения критерия Аг и активности струи растворителя с учетом эжекции в рассольной среде. Расчеты показали, что чем меньше Оскв, и больше разница плотностных сред Ар^0,1 г/см3, тем больше значения Аг. Зависимость Аг = ((Оскв) по средним значениям Ар представлены на рис. 2. Увеличение плотности среды рассолов при одинаковом показателе Ар приводит к некоторому снижению активности погружения струи, однако, с увеличением производительности скважины до 40 м3/час и выше расхождения заметно уменьшаются и ими можно пренебречь (рис. 3 а,Ь). Расчеты показали, что при достижении Оскв = 50м3/ч значения критерия Аг малы и не превышают 1, т.е. Аг<<1: Агтах =

0,75 при Ар = 0,2 г/см3 и Агт

0,044 при Ар

0,01г/см3. Увеличение производительности до 80 м3/ч приводит к дальнейшему снижению значений критерия Аг:

Ос

Ос

50 м3/ч при Ар = 0,01 г/см3 Агт Ар = 0,2 г/см3 Агтах

0,044+0,038

0,759

60 м3/ч при Ар = 0,01г/см3

Агт

0,0308+0,026

Ар = 0,2 г/см3 Агт

0,527

Ос

70 м3/ч при Ар = 0,01 г/см3 Агт

0,0226+0,019

Ар = 0,2 г/см3 Агт

Ос

80 м3/ч при Ар = 0,01 г/см3 Агт

0,338

, = 0,017+0,015

Ар = 0,2 г/см3 Агтах = 0,29

Результаты расчетов показывают, что влияние критерия Аг на погружаемую струю в среде насыщенных рассолов возможно лишь при небольших скоростях истечения жидкости, когда и0 = 0,12+0,48 м/с, что соответствует Оскв .= 10+40 м3/ч. Далее, при значениях Оскв. = 50+80 м3/ч, направленное движение потока характеризуется наибольшей глубиной погружения и полным перемешиванием в рассольной среде. В результате приобретения повышенной плотности, растворитель теряет всплывающую активность, и значения критерия Аг уменьшаются.

Определение глубины погружения струи растворителя по ф-ле (1) ограничивалось влиянием критерия Аг в диапазоне Оскв. = 10+40 м3/ч и влиянием эмпирических коэффициентов т, Ь. Расчеты показали, что значения критерия Аг возрастают при т = -0,5 и Ь = 1,75, и уменьшаются при т = -0,53 и Ь = 1,45.

Рис. 1. Зависимость критерия Аг от производительности скважины и эжекции растворителя в рассольной среде Аг = ((Оскв; Ар)

Рис. 2. Зависимости средних значений Аг отОскв и Ар

Рис. 3. Зависимость критерия Аг от плотности среды рассолов

Максимальная глубина погружения струи при Оскв. = 10+50 м3/ч и Артах = 0,2 г/см3 с граничными условиями т = -0,5 и Ь = 1,45, т = -0,53 и Ь = 1,73, имеет следующие значения::

О = 10 м3/ч Хтах = 106+63,6 м; О = 50 м3/ч Хтах = 0,17+0,14 м;

О = 20 м3/ч Хтах = 6,6+4,6 м; О = 60 м3/ч Хтах = 0,087+0,068 м;

О = 30 м3/ч Хтах = 1,3+1,0 м; О = 70 м3/ч Хтах = 0,049+0,037 м;

О = 40 м3/ч Хтах = 0,4+0,3 м; О = 80 м3/ч Хтах = 0,029+0,0216 м.

Расчеты формулы (1) показывают, что глубина погружения (Х) зависит от разности плотностной среды рассола и растворителя (Ар) и производительности скважины (Оскв) рис. 4. Наибольшая глубина погружения соответствует меньшей Оскв. Результаты расчетов ф-лы (1) противоречат физическому смыслу и практике подземного растворения, поэтому ф-ла (1) для определения глубины погружения растворителя в среде насыщенных рассолов не применима. Однако расчеты критерия Аг показали следующие зависимости. Всплывающая активность струи связана с разностью плотности сред рассолов и поступающего растворителя (Ар). Чем больше Ар^0,2г/см3, тем больше критерий Аг. Дина-

Рис. 4. Глубина погружения струи растворителя при О = 10-40 м3/ч

Рис. 5. Зависимости глубины погружения струи растворителя от производительности скважины

Рис. 6. Глубина погружения растворителя в зону насыщенных рассолов с учетом эжекции струи и производительности скважины

мика движения растворителя в среде насыщенных рассолов также зависит от скорости подаваемого растворителя на выходе из скважины или Оскв. При малой Оскв = 10 м3/ч струя, не погружаясь выталкивается плотными рассолами, сохраняя при этом Ар и всплывающую активность. Дальнейшее увеличение

Ос

связано с увеличением давления подачи раство-

рителя и импульса начальных сил. При этом струя под напором давления проникает на некоторую глубину, эжектирует с окружающими рассолами, увеличивая плотность, теряет всплывающую активность, и значения критерия при этом уменьшаются. Определена область действия критерия Аг: 40

м3/ч>Аг>10 м3/ч. Критерий Аг необходимо учитывать при небольших скоростях движения жидкости и0 = 0,12+0,48 м/с. При скоростях и0>>0,48 значения Аг<<1, влияние его не значительно и с увеличением Оскв исчезает, что говорит о полном перемешивании растворителя в зоне насыщенных рассолов.

Следующей по определению глубины погружения растворителя являлась оценочная зависимость (2) [17]:

Х

Г0

0,22

(1+У'-'

Рг,

0

(2)

где г0 - эквивалентный радиус выходного отверстия водоподающей колонны, 0,085 м; и0 - начальная скорость потока растворителя на выходе из колонн и0 = О/Б0; О - производительность скважины, 10-80 м3/ч; Б0 - площадь выходного отверстия, 0,023 м2;

Р = 60,13-

где р,

1 -Рт ' Рп 0,264 + рт ' рп ;

текущая плотность растворителя, при

эжекции струи с окружающими рассолами принимаются значения 1,0ч1,2 г/см3; р п - плотность среды рассолов с учетом условий заглубленной водопо-дачи 1,2 г/см3; Зависимость коэффициента Р при Артах = 0,2 г/см3 и Арт1п = 0,01 г/см3 представлена областью допустимых значений 0,4<Р<9,133. Из литературы [17] не понятен физический смысл коэф-та Р, однако, подобно критерию Аг , он зависит от плотности среды и растворителя, но не связан с технологическими параметрами (И). По среднему значению при Оскв = 10+80 м3/ч Иср = 58 и является близким по значению 60,13 коэффициента ф-лы Р (2).

На рис. 5 представлены расчеты глубины погружения растворителя с учетом эжекции в среде рассолов камеры и Оскв = 10ч80 м3/ч. Глубина погружения растворителя зависит от Ар и Оскв. Чем больше Оскв и меньше Ар^0,01 г/см3, тем больше глубина погружения. Максимальная глубина погружения соответствует наибольшей Оскв = 80 м3/ч и наименьшему значению Ар^0,01г/см3, когда плотность раство-

1

рителя и среды рассолов камеры являются почти однородными средами, и равна Х = 138,8+394,8 м соответственно Ар = 0,2+0,01 г/см3. Однако, оценочная зависимость (2) не имеет соответствующего наименования - метры, а глубина погружения растворителя на 394,8 м весьма сомнительна.

В работе [18] предлагается уравнение (3) с уточненным коэффициентом пропорциональности применительно к задачам подземного растворения:

_ 2-4би„ Го2.46Ц,

г («0г,)1'2 ^ 2т ■ («0г.)1'2 • <3)

где г0 - радиус источника (т.е. водоподающей колонны 0,085 м); и0 - скорость струи растворителя на выходе из источника, м/ч и0 = О/Пг2 = О/Б; О - производительность скважины 10+80 м3/ч; Б - площадь

2 ! р» р0 выходного отверстия 0,023 м ; д0 =д ---------, где д-

р»

ускорение свободного падения 9,81м/с2; 981 м/с2 Применим формулу (3) в условиях заглубленной водоподачи, когда р » = 1,2 г/см3 принимается для среды насыщенных рассолов и текущая плотность растворителя ро = 1,0+1,2 г/см3 с учетом эжекции окружающих рассолов. Результаты расчетов показали зависимость Оскв от глубины погружения, чем больше Оскв, тем больше 7т; и обратную зависимость глубины погружения от Ар. При насыщении растворителя до плотности рассольной среды глубина погружения возрастает. Значения максимальной глубины погружения достигают только 2,42 м при ро = 1,19

г/см3 и р » = 1,2 г/см3 или Ар = 0,01 г/см3 (рис. 6) и не

сравнимы с результатами предыдущих расчетов.

Следующая формула по определению глубины погружения растворителя (4) выведена на основе корреляционного анализа результатов гидролока-

Рис. 7. Зависимость глубины погружения растворителя от производительности скважины

Рис. 8. Схема логико-математической модели динамики движения вертикально подаваемого потока в плотной среде рассола

торных съемок форм камеры при заглубленной во-доподаче [10]:

Ь = 0,1О+1,37 (4)

Формула (4) применима к производительности скважин от 20 до 80 м3/ч и определяет максимальное влияние растворителя на растворение стенок выработки ниже башмаков рабочих колонн.

Данная картина соответствует и максимальной глубине погружения растворителя в зоне тяжелых рассолов, поскольку в зоне кондиционных рассолов учтена вероятность не только максимального горизонтального растворения стенок камеры, но и ограничено вертикальное движение растворителя вниз при заданной производительности. Ф-ла (4) исключает критерий Аг, силы плавучести потоков, зависимых от разности сред рассолов и растворителя (Ар) и учитывает только производительность скважины.

Результаты расчетов представлены на рис 7 и показывают, что глубина погружения, при которой осуществляется незначительное горизонтальное растворение стенок выработки, равна Ьтах = 9,37 м при Оскв = 80 м3/ч; и Ьт1п= 2,37 м соответственно при Оскв = 10 м3/ч. Однако ф-ла (4) не имеет соответствующего наименования - метры, что является не корректным для математических расчетов.

Расчеты формул (1-4) [10; 12-18] по определению глубины погружения растворителя применительно к условиям заглубленной водоподачи показали весьма неоднозначные результаты. Максимальная глубина погружения растворителя колеблется от 2,42 до 394,8 м. Такой разброс значений глубины погружения не сопоставим. Однако, на основе полученных расчетов получены следующие результаты.

Глубина погружения растворителя зависит от разности плотностных сред рассольной среды камеры и растворителя. При Ар^0,2 г/см3, когда рср = 1,2 г/см3 и рр = 1,0 г/см3, глубина погружения минимальна, что объясняется большой всплывающей активностью струи и большими значениями критерия Аг.

Увеличение Оскв^80 м3/ч, обусловленное силами давления скважины, приводит к увеличению глубины погружения растворителя и вынужденному перемешиванию потока растворителя в камере. Плотность растворителя при эжекции в рассольной среде увеличивается, теряет всплывающую активность, и значения критерия Аг уменьшаются.

Определение граничных значений критерия Аг 40>Аг>10 м3/ч требует для условий заглубленной водоподачи, когда рср = 1,2 г/см3, рр = 1,0+1,2 г/см3 и Оскв = 10+80 м3/ч, несколько формул по определению глубины погружения, которые могли бы верно отражать физическую сущность процессов движения растворителя. Одна из формул должна учитывать критерий Аг и текущие изменения плотности рассольной среды и растворителя Ар, а также Оскв = 10+40 м3/ч, а другая - технологические параметры скважины и Оскв = 50+80 м3/ч.

На основе расчетных данных критерия Аг и полученной глубины погружения растворителя (по ф-ле 4), соответствующей гидролокаторным съемкам натурных камер [10], построена предполагаемая логи-

ко-математическая модель, которая объясняет физический смысл всплывающей активности вертикально направленной струи растворителя (рис. 8).

CПИCОK ЛИТEРAТУРЫ

1. Технико-экономическая оценка извлечения полезных ископаемых из недр. - М.: Недра, 1974.

2. Бобко П.С. Расчет технологических параметров послойного выщелачивания соляных залежей //Калийная промышленность. - М.: ВНИИТЭХИМ, 1974, вып.6, с. 70.

3. Бобко П.С. Методы подземного выщелачивания соляных залежей.//Геология и гидрогеология соляных месторождений. - Л.: Недра, ВНИИГ, вып.56, с. 146-176, 1972.

4. Ландман Ю.Р, Корчагина Е.Н., Ручнова А.Г. Моделирование процесса выщелачивания с заглубленной водоподачей.//Разработка солей способом подземного выщелачивания. -Л.: тр.ВНИИГ, вып.76, 1975, с. 36-45.

5. Патрунова Л.Н. и др. Способ конвективного смешания с заглубленной водоподачей. А.с, N1113521 СССР, вып.6, с.1-3.

6. Царенков Ю.В. Закономерность развития поперечного сечения тоннельной камеры, создаваемой в каменной соли //Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - М.: 1981, N4, с. 8.

7. Айруни А.Т., Смайльс Н.Ю. Методические рекомендации по моделированию процесса создания камер растворением солей беспослойным способом. - М.: ИПКОН РАН СССР, 1985.

8. Смайльс Н.Ю. Разработка способа беспослойного растворения газоносных пластов каменной соли.-автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - М.: ИПКОН РАН, 1991.

9. Смайльс Н.Ю. Закономерности формообразования подземной камеры при подземном растворении пластов каменной соли //Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: тр. МГГУ, 2001, с. 163.

10. Абдеев Э.М. Особенности формирования и маркшейдерского контроля камер с заглубленной водоподачей //Теория и практика подземного выщелачивания соляных месторождений. -Л.: тр. ВНИИГ, 1984, с. 80.

11. Каратыгин В.П., Кулбанов А.В., Пустыльников Л.Н. и др. Подземное растворение соляных залежей (проблемы. моделирование, управление) -С.П.: Гидрометеоиздат, 1994 с. 37-62.

12. Корчагина Е.Н. Расчет параметров области заглубленной водо-

подачи в подземной камере растворения солей//Технология разработки соляных месторождений подземным выщелачиванием. - Л.: тр.ВНИИГ,

1981, с. 21-29.

13. Корчагина Е.Н, Кононова А.Г. Моделирование размыва зумпфов рассольных камер//Тория и практика подземного выщелачивания соляных месторождений.-Л.: Тр.ВНИИГ, 1984, с. 68-75.

14. Абузова Ф.Ф, Абрамзон Л.С. Изв. АН СССР сер. Механики и машиностроения. 1063,25.

15. Губкин В.Е. Труды НИИ по транспорту и хранению нефти и нефтепродуктов. 1969, вып. 6.

16. Turner IS. Annual Review of fluid mech. 1969, vol 1, p 29-44.

17. Давыдов Б.И, Шахов Ю.А. О закономерностях влияния погружения водоподачи на формирование концентрационной стратификации в камерах подземного выщелачивания. - Л.: ЛТИ, 1974, 22 с. (Рук.деп. в ЛТИ, N448/75).

18. Morton B.R. Forced plumes/Fluid МаЛ, 1959, v.5, p. 151-163.

ШРОТШ ОБ ABТОРAX

Смайльс Н.Ю. - кандидат технических наук, научный сотрудник, ИПКОН PAH

© B.H. Салохин, A.C. Хрулев, A.B. Kaналин, 2003

yAK 622.767.52

B.И. Салохин, A.C. Хрулев, A.B. Kaналин

ОПРEAЕЛЕНИЕ ОПТИМЛ.ЛЬНОЙ СТЕПЕНИ ИЗBЛEЧEHИЯ О—AAKA ПРИ CОЗAAHИИ ПОAЗEМHЫX РЕЗEРBУAРОB HA BОЛГОГРAACKОМ ПXГ

Горно-геологические условия залегания соленосных отложений определяют выбор технологической схемы и параметры

строительства подземных резервуаров через скважины. Недостаточный учет этих условий приводит к снижению возможного по-

лезного объема подземного резервуара и росту затрат на его строительство.

К определяющим горногеологическим факторам относится содержание нерастворимых включений в каменной соли и мощность соленого интервала, в котором производится строительство подземного резервуара.

В интервале строительства Ереванского подземного хранилища газа (около 165 м) содержание глинистых нерастворимых включений изменяется от 13,8 до 26,1% (в среднем 16,1%). Применяемая технология размыва предусматривала оставление осадка