Область вынужденного движения потоков при погружении растворителя в рассольной среде камеры Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.831.322.234.42 Н.Ю. Смайльс

ОБЛАСТЬ ВЫНУЖДЕННОГО ДВИЖЕНИЯ ПОТОКОВ ПРИ ПОГРУЖЕНИИ РАСТВОРИТЕЛЯ В РАССОЛЬНОЙ СРЕДЕ КАМЕРЫ

Семинар № 14

Формирование выработки при подземном растворении пластов каменной соли скважинами связано с процессами растворения и гидродинамики, которые целиком и полностью зависят от технологических параметров применяемого метода или способа [1, 2, 3]. Положение рабочих колонн в объеме камеры и подача растворителя в скважину (прямоток или противоток) обуславливают гидродинамику жидкостных потоков и развитие формы выработки, от которых зависит полнота извлечения полезного ископаемого. Поэтому исследования технологических параметров и гидродинамических процессов необходимы для установления новых зависимостей и закономерностей, приводящих к совершенствованию технологии подземного растворения.

В управляемых способах подземного растворения используется режим заглубленной водоподачи, который связан с установлением водоподающей колонны ниже кровли формируемой ступени, что приводит к наиболее благоприятной гидродинамической обстановке в камере [4]. Движение потока растворителя обеспечивает наибольшее перемешивание рассолов камеры за счет всплывающей активности растворителя, возникающей вследствие взаимодействия разных по плотности потоков жидкости. Растворитель, как правило, имеет плотность воды р = 1 г/см3 или слабых рассолов до р = 1,1 г/см3, а рассольная среда камеры при заглубленной водоподаче представлена плотными рассолами, плотность которых составляет р = 1,15 1,2 г/см3.

Растворитель, подаваемый в скважину, совершает цикличное движение от погружения вниз, реверса, до возвратного движения вверх - всплывания, которое заканчивается рассеянным гравитационным движением потоков, стремящихся к равновесию. Траектория движения растворителя связана с вовлечением в движение рассолов камеры, образуя при этом область перемешивания. Однако относительно размеров выработки диаметром 100 м область перемешивания потоков невелика. В литературе имеются сведения, что радиус действия выходящего потока из скважины равен гвх = 0,10-0,15Я (где радиус камеры Я = 50-60 м). Тогда в образовании камеры диаметром более 12-15 м решающую роль играют условия свободной конвекции. Отсюда радиус действующего потока при р = 60 м3/ч достигает 5-7,5 м, а диаметр не превышает 10-15 м [5].

Задачей данных исследований являлось определение области вынужденного движения потоков начального цикла - погружения растворителя в среде рассолов камеры.

Область перемешивания потоков обусловлена вынужденным, напорным движением растворителя вниз. При этом действие направленной струи зависит от технологических параметров: производительности скважины рскв., импульса вынужденных сил М0=л г02и02, где и0 - скорость растворителя на выходе (м/ч, м/с) и и0 = р/8, размеров отверстия водоподающей колонны г0, а также плотности окружающих рассолов. Согласно исходным данным глуби-

Глубина погружения потока И, м

на погружения потока определялась формуле

по

£/и 0

где к = р0/рш - коэффициент, препятствующий направленному движению растворителя вниз и зависящий от плотности рассольной среды камеры рш и плотности растворителя р0. Считается, что действие напорного потока прекращается в момент остановки до возвратного движения вверх.

Напорный режим скважины обуславливает турбулентное движение растворителя и вовлеченных в движение потоков, которое характеризуется граничными условиями числа Яекрит = 2320 критерия Рейнольдса Яе = Ио1/у. Линейная величина 1 представлена диаметром зоны перемешивания потоков, а скорость на выходе ио зависит от производительности скважины. Коэффициент вязкости для рас-

5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 я, м

_ 1 _ 2 - з - '0=НЗ'Й*/ '”0=^3'й*/ч 0= у' у' уГ У Ч/' у/ / / / ч у/

А р=0,2г/см3 А раскр.струи =86,5-5-58,3° 'ч - 4 - _ 5 _ _6 _ ~ 7 ~ Ь,м 0= 687 м3ЛК , у' у Др=0,01г/см / / А- раскр.струи =85,8-^54° 0=71,г м3/ч 0=86 м3/ч

Рис. 1. Значения глубины и диаметра области вынужденного движения потоков, соответствующие крит.Яе=2320 и Q крит.

сольной среды V = 0,0131 см2/с. Зона вынужденного действия потока ограничена критическим числом Яе = 2320, большее значение которого означает турбулентное движение, а меньшее - переход к ламинарному режиму и растворению в условиях свободной конвекции. Определим размеры зоны вынужденного действия потоков от рскв относительно числа Яе = 2320.

Расчеты показали, что зона вынужденного движения имеет диаметр d = 1 м при Оскв = 8,6 м3/ч; d = 2 м при рскв= = 17 м3/ч; d = 3 м при рскв = 25,7 м3/ч; d = 4 м при Оскв = 34 м3/ч; d = 5 м при рскв = 43 м3/ч; d = 6 м при рскв = 51,5 м3/ч; d = 7 м при рскв = 60 м3/ч; d = 8 м при рскв = 68,7 м3/ч; d = 9 м при рскв = = 77,3 м3/ч; d = 10 м при рскв = 86 м3/ч (рис. 1). Отсюда следует, что при рабочей рскв = 10 _ 80 м3/ч формируется зона вынужденного действия диаметром не более d = 10 м или гвх = 5 м. Полученные данные несколько ниже, чем представленные в литературе, что можно объяснить менее или более плотной рассольной средой камеры.

Относительно диаметра области вынужденного действия потока и производительности скважины определена глубина погружения растворителя (рис. 1), которая соответствует пограничным значениям области турбулентного движения Яекрит = 2320. На основе расчетов на рис. 2 представлена область вынуж-

Рис. 2. Формирование области

вынужденного движения потоков при погружении растворителя в рассольной среде камеры

Угол раскрытия в град.

денного движения потоков по данным диаметра и глубины погружения,

Результаты проведенных исследований показали, что максимальные размеры области вынужденного движения потоков при 0 = 86 м3/ч имеют диаметр d = 10 ми глубину погружения Ь = 6-7,3 м, в зависимости от Ар = =0,2^0,01 г/см3. Прослеживается влияние рассольной среды камеры на глубину погружения растворителя, а также зависимость угла раскрытия погружаемого потока от 0 скважины и Ар. Чем меньше 0 = 8,6 м3/ч, тем больше угол раскрытия Z85,80 и радиус относительно глу-

Рис. 3. Угол раскрытия погружаемого потока в пограничных значений критерия Яв=2320

бины погружения (Я = 0,5 м и Ь = 0,06-0,07 м). Такое положение объясняется механизмом движения свободно затопленной струи и растеканием потока в радиальном направлении. Увеличение 0 = 86 м3/ч приводит к увеличению глубины погружения, уменьшению угла перемешивания до Z58-53 в зависимости от плотности рассолов и растворителя Ар. Расчеты показывают, что глубина погружения Ь = 6,2-7,3 м несколько больше радиуса Я = 5 м. Область вынужденного движения потоков имеет равные радиус и глубину погружения, когда 0СКВ = 60,12 м3/ч Я = Ь = =3,5 м и Z740 при Ар = 0,01 г/см3 и, когда рскв = 68,7 м3/ч Я = Ь = 4 м и Z760 при Ар = 0,2 г/см3. Предположительно рсКв ~ 60 м3/ч может являться оптимальной величиной, обеспечивающей равномерное перемешивание потоков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Способ конвективного смешения потоков. Патрунова Л.Н., Романов B.C., Каратыгин Е.П. и др. А.с. 1113521 б.и. 1984, №34.

3. Дудко П.М., Лехтимяхи Э. Добыча рассолов выщелачиванием каменной соли через буровые скважины //Гидрогеология соляных месторожде-

ний и вопросы подземного выщелачивания соляных залежей. - Л.

4. Корчагина Е.Н. Расчет параметров заглубленной водоподачи в подземной камере растворения солей //Технология разработки соляных месторождений подземным выщелачиванием. - Л.: тр.ВНИИГ, 1981.

5. Каратыгин В.П., Кулбанов А.В. и др. Подземное растворение соляных залежей (проблемы, моделирование, управление). - С.П.: Гидрометео-издат, с. 37-62, 1994.

— Коротко об авторок ----------------------------------------------

Смайлъс Н.Ю - кандидат технических наук, научный сотрудник ИПКОН РАН.

© В.П. Тимофеев, 2005

УДК 622.234.5:378

2ll