CC BY
34
УДК 622.831.322.234.42 Н.Ю. Смайльс
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЛУБИНЫ ПОГРУЖЕНИЯ СТРУИ РАСТВОРИТЕЛЯ В РАССОЛЬНОЙ СРЕДЕ КАМЕРЫ
Семинар № 14
ТУ практике подземного растворения
.О пластов каменной соли с целью скважинной добычи рассолов применяются управляемые способы, которые используют режим заглубленной водоподачи. Для этого водоподающую колонну опускают ниже потолочины формируемого слоя в объеме камеры, что обеспечивает наибольшее перемешивание рассолов и создает определенную гидродинамическую обстановку. Поступление растворителя (воды) в камеру через водоподающую колонну обуславливает замкнутый цикл движения потока, сначала вертикально вниз (погружение), остановку и реверс, затем возвратное движение вверх (всплывание) и рассеянное движение массы жидкости в камере, связанное с гравитационной конвекцией.
Для описания движения потоков жидкости в камере используются основополагающие теории Мортона, Тейлора, Тернера, Бетчелора [1, 2, 3, 4], которые рассматривают различного вида движения жидкостей. В практике подземного растворения для определения глубины погружения, начального цикла движения растворителя, используются основные положения и закономерности известных теорий. Однако для условий промышленного растворения скважины в некоторые формулы были введены поправочные коэффициенты, что допускается теорией подобия, условиями однозначности и автомодельностью протекающих процессов. Таким образом, в практике и теории подземного растворения имеется целый ряд формул, опреде-
ляемых глубину погружения растворителя.
Из теории Тернера позаимствована формула
Х = 2^^. (1)
Ориентировочные расчеты глубины погружения представлены формулой Шахова Ю.А. и Давыдова Б.И.
Х=
0,22
3 (1 + 3-^
А ■ г
-1
(2)
В теории Мортона известна формула с введенным поправочным коэффициентом, равным 2,46 [3, 5, 6]
г 2 46Г/
=(я! ■ О1". (3)
Из практики подземного растворения заглубленной водоподачей известна формула Абдеева Э.М. [6] h = 0,^ + 1,37. (4)
Формулы (1-3) представляют основные зависимости глубины погружения от технологических параметров скважины, т.е. производительности ^), диаметра ^) или радиуса (г) водоподающей колонны, а также взаимодействия среды рассолов камеры и растворителя по плотности, выраженные в формулах коэффициентами A, g01 и критерием Архимеда ^г), которые обуславливают всплывающую активность потока растворителя. Формула (4) несколько отличается в физическом смысле от других формул и представляет зависимость глубины погружения от производительности скважины.
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Значения критерия Аг
Рис. 1. Зависимость критерия Аг от плотности среды рассолов и растворителя в пределах Оскв. от 10 до 80
мЗ/час
Математические расчеты ф-л (1-4) показали близкие результаты ф-л (1) и (3), где максимальная глубина погружения при Р = 80 м3/ч составляет Х = 2,5 м и Ъ = 2,4 м.
Ориентировочные расчеты ф-лы (2) показали максимальную глубину погружения Х = 400 м, а в ссылке [5] говорится, что оценочные расчеты при Р скважины до 60 м3/ч, эквивалентном радиусе колонн 0,17 м (0245 и 0146 мм) и плотности среды рср = 1.05.. .1.2 т/м3, изменение глубины погружения составляет от 1,4 до 3,1 м.
Максимальная глубина погружения по ф-ле (4) при Р = 80 м3/ч с учетом эмпирических коэффициентов равна 9,37 м, а минимальная при Р = 20 м3/ч уже достигает 3,37 м.
Таким образом, расчеты глубины погружения представляют большой разброс значений Х, Ът, И, равный от 0,1 до 350.400 м. Возможно, данные формулы применялись в каких-то конкретных условиях растворения и в связи с этим возникли такие большие расхождения. Однако математический анализ формул привел к несколько иным результатам.
Расчеты критерия Архимеда (Аг), используемого в ф-ле (1),
Аг=2^2°(1 -—) (5)
и0 Рт
показали весьма ограниченный диапазон действия критерия (рис. 1-2). Значения критерия Аг зависят от Р скважины, а также от плотности контактирующих сред рассолов камеры и растворителя. Уже при увеличении Р скважины до 20 м3/ч значения критерия с 19,5-1,13 при Р = 10 м3/ч резко уменьшаются до 4,7-0,28 относительно рассольной среды Ар = 0,2^0,01 г/см3. Область допустимого значения критерия ограничивается производительностью скважины от 10 до 40 м3/ч, т.е. Рскв = 10 м3/ч<<Аг<Рскв= 40 м3/ч. Пограничные значения Р = 10-40 м3/ч обуславливают максимальную всплывающую активность струи растворителя, а также минимальную глубину погружения. При этом высота всплывающего потока будет максимальной при Артах = (Рср-Рр) = 0,2 г/см3.
Погружение потока при Рскв>40 м3/ч характеризуется наибольшим перемешиванием потоков в камере, потерей всплывающей активности и значения критерия
1-0=10 м!/ч
2- 0=20л/и/ч
3- 0=30м1/ч
4- 0=40м1/ч
5- 0=50м1/ч
6- 0=60л/н/ч
7- 0=70а/н/ч
8-0=60м!/ч
9- 0=90 м\/ч
4 5
Глубина погружения, И м
Аг—0. При Рскв = 40 м3/ч и Артах= 0,2 г/см3 значения Агтах= 1,19, а для Арт^п = 0,01 г/см3 составляют Аг = 0,07 [8]. Равновесные среды или близкие по плотности значения рассолов камеры и растворителя, т.е. Арт^п—>0,01 г/см3, характеризуются невысокой всплывающей активностью или движением равновесных потоков. В этом случае струя легко погружается и хаотично расплывается по всем направлениям при небольшой производительности Рскв<40 м3/ч. Отсюда наибольшая глубина погружения при одинаковых значениях Арть^0,01 г/см3 в интервале Рскв= 10^40 м3/ч. Далее с увеличением Рскв>40 м /ч значения Аг^0, разница между Артах и Арть ничтожно мала, и действие критерия прекращается. Всплывающая актив-ность погружаемой струи заметна только при Рскв=
=10^40 м3/ч. Для этого интервала построена логико-математическая модель, которая объясняет зависимости всплы-
вающего потока и, согласно расчетам, уменьшается с увеличением Рскв, тогда как глубина погружения увеличивается. Показатель Ар не характеризует глубину погружения растворителя, а выражен стратифицированной средой камеры (рис. 2) [8].
Увеличение Рскв>>40 м3/ч приводит к трансформации свободно затопленной струи в действующий напорный поток, приводящий к перемешиванию массы жидкости и увеличению глубины погружения. При этом физическая сущность потока изменяется, и ф-ла (4) наибольшим образом соответствует глубине погружения потока в условиях Рскв>>40 м3/ч.
Данное положение подтверждается теорией и практикой подземного растворения камер-хранилищ в формациях каменной соли, где для интенсификации времени размыва используется энергия затопленной струи, формируемой насадкой малого диаметра.
Исследования горизонтально направленной струи показали, что определение длины пробега или радиуса действия затопленной струи при скоростях и0 = 15-20 м/с, связано только с диаметром насадки и безразмерными (эмпирическими) коэффициентами, полученными на основе результатов лабораторных исследований и, которые соответствуют характеристике данного участка растворения [9, 10]. Слабо минерализованная среда камеры обеспечивает несколько большие размеры радиуса вынужденного действия, определяемого по ф-ле Ь = 600^650^ (до 15-20 м в зависимости от производительности скважины и диаметра используемой насадки), что говорит о необходимости учета рассольной среды камеры. Плотная среда рассолов будет препятствовать проникновению потока вглубь, и радиус действия при этом должен уменьшаться. Пересчет радиуса действия струи относительно условий растворения скважиной возможен с помощью теории геометриче-
Рис. 3. Зависимость глубины погружения потока от рассольной среды камеры
ского, кинематического подобия, и учета условий однозначности [11, 12]. Для этого скорость растворителя принималась Ц0 = 16 м/с, что отвечает требованиям действующей напорной струи, и сохранялась производительность скважины Рскв = 10^80 м3/ч. При этом размеры насадок в соответствии с Р = 10^80 м3/ч изменяются в пределах d = 0,0148^0,142 м. Сопоставлены данные скважины ^скв = 0,17 м, Рскв = 80 м3/ч и У0 = 0,996 м/с) с данными струи вынужденного действия ^н=0,042м, Ц0=15-20 м/с). Если подставить данные скважины, то Ь = 650-0,17 = 110,5 м, а отношение скоростей потоков на выходе составит Ц0нас/У0скв= 16/0,966 = 16,56, тогда Ь/16,56 = 6,67 м, что и будет являться приближенным значением радиуса действующей струи из скважины. Соотношение скоростей показывает, что нельзя пренебрегать плотностью рассольной среды ка-
меры, поскольку длина пробега струи в слабой среде рассолов имеет значительно большие размеры.
В результате проведенных исследований были установлены дополнительные факторы, которые не учитывались ранее в определении глубины погружения: 1) всплывающую активность погружаемого потока, выраженных критерием Аг и коэффициентами Р, А, можно учитывать лишь при небольших начальных скоростях и производительности скважины 0скв< 40 м3/ч. 2) увеличение Рскв>40 м3/ч приводит к формированию напорного потока, действие которого зависит от технологических параметров и размеров скважины. 3) необходим учет плотности рассольной среды, только в виде сил, препятствующих проникновению потока вглубь, а не в виде всплывающей активности. Тогда глубиной погружения (И) будет считаться отрезок движения растворителя вниз от выхода из скважины до момента его остановки или реверса. Начальное движение струи-потока выражено импульсом вынужденных сил (М0), определяемый площадью сечения скважины (8), через которое поступает растворитель, производительностью скважины (Р) и плотностью окружаемых рассолов (р). Площадь сечения скважины представляет собой кольцевое пространство между водоподающей и рассолозаборной колоннами (труба в трубе) и выражается эквивалентными размерами радиуса (го) или диаметра ^)
выходного отверстия: го =л/Я2 - г2 . При размере технологических колонн 245х146 (см) эквивалентные размеры равны го = 0,058 м, d = 0,17 м и 8 = 0,02268 м2. Тогда М0 = п го2Ц02, где Ц0 -скорость растворителя на выходе (м/ч, м/с) и Ц0=Р/8. Дальнейшее движение потока растворителя в плотной рассольной среде до полной его остановки зависит от сил трения среды рассолов камеры, которые препятствуют вынужденному движению струи вниз. По мере уда-
ления от скважины скорость потока уменьшается и при перемешивании с окружающими рассолами стремится к 0 (Ц—>0). При этом размеры камеры значительно больше площади выходного отверстия скважины и уже не влияют на формирование потока. Тогда глубину погружения растворителя можно записать в виде формулы:
h =
s/u0
где k = ро/рм или h =
/Мп
S/
U о
(Po/P«) (м)
Расчеты показали (рис. 3), что меньшему значению плотности Лр^-0,01 г/см3 и QCKB = 80 м3/ч соответствует наибольшая глубина погружения h = 6,4 м. Тогда наименьшая глубина погружения h = 0,08 м соответствует max Лр^-0,2 г/см3 и наименьшей Q^ = 10 м3/ч. Диапазон значений глубины погружения составляет от 0,08-0,1 до 5,54-6,41 м в пределах Q^ = 10-80 м3/ч с учетом ко-
эффициента плотности рассольной среды камеры (к).
Таки образом на основании новых установленных положений: - опре-
деления области допустимого действия критерия Архимеда; - изменения качественной характеристики потока после Рскв>40 м3/ч от свободно затопленной струи к вынужденному действию направленного потока, а также -плотности рассольной среды камеры и растворителя, предопределяющих про-никающую или тормозящую способность направленного вниз потока и выраженных коэффициентом плотности среды к, - установлена закономерность глубины погружения в зависимости от рассольной среды камеры и технологических параметров скважины. Формула глубины погружения учитывает изменение характеристики потока от свободно затопленной до действующей напорной струи, вносит изменения в физический смысл процесса погружения и может использоваться в расчетах заглубленной водоподачи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Morton B.R. Poroed pluses.-I. Of Fluid. Mech.,
1959, v.5 2№1-2 p.151-163.
2. Тернер Д.С. Эффекты плавучести в жидко-стях.-М.: Мир, 1977,431с.
3.Batchelor G.K. Heat compection and buoganoy effects in fluids.-Quart. I. Roy. Met. Soc.,19543, v80, h 335-358.
4. Habib O.A. I. fl.mtch 1972, v.6, №3 p.257-
272.
5. Корчагина Е.Н. Расчет параметров области заглубленной водоподачи в подземной камере растворения солей//Теория разработки соляных месторождений подземным выщелачиваем.-Л.: ВНИИГ 1981, с21-29.
6. Губин В.Е. Труды по транспорту и хранению нефти и нефтепродуктов. 1969, вып.6.
7. Абдеев Э.М. Особенности формообразования и маркшейдерского контроля с заглубленной водоподачей //Теория и практика подземного выщелачивания соляных месторождений.-Л.: тр.ВНИИГ, 1984, с.80.
8. Смайльс Н.Ю. О глубине погружения вертикально направленной струи в среде насыщенных рассолов камеры//ГИАБ №10 2003, с.150-154.
9. Царенков Ю.В. Исследование кинетики растворения галита затопленной стру-ей//Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья.- М.: ЦНИИТнефтехим, 1973, N8.
10. Царенков Ю.В., Грохотов В.А. Исследование технологических параметров создания емкостей в соляных формациях //Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. -М.: ИНИИТЭнефтехим 1977, №12, с. 1-4.
11. Долежалик В.П. Подобие и моделирование в химической технологии.-М.: Гостоптехиздат,
1960.
12. Хчеян Г.Х., Нафтулин И.С., Глухов Б.П. Моделирование в геотехнологии. //Тр. ГИГХС 1973, 110 с.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------
Смайльс Н.Ю - кандидат технических наук, научный сотрудник ИПКОН РАН.
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИИ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
ДИССЕРТАЦИИ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
БОРОВКОВ Георгий Александрович Методы и средства повышения экологической безопасности произ-водства и природопользования в цветной металлургии 25.00.36 д.т.н.
© И.В. Британ, П. Д. Гостюхин, В.Н. Аллилуев, С.Г. Лейзерович, 2005
УДК 622.234.5:622.341.1
И.В. Британ, П.Д. Гостюхин, В.Н. Аллилуев, С.Г. Лейзерович
ОЦЕНКА РАЗРУШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЗАТОПЛЕННОЙ СТРУИ (ИТОГИЭКСПЕРИМЕНТОВ)
Семинар № 14
роектирование, конструкторские разработки и испытания новых типов снарядов для скважинной гидродобычи (СГД) богатых железных руд потре-
бовали дополнительной информации о разрушающей способности затопленных струй, имеющих высокие скорости истечения.
