CC BY
17
- © А.Н. Шулюпин, А.А. Чермошенцева, 2014
УДК 622.997:532.529
А.Н. Шулюпин, А.А. Чермошенцева
ОЦЕНКА МАКСИМАЛЬНЫХ РАСХОДОВ ДОБЫЧНЫХ СКВАЖИН ПАУЖЕТСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПАРОГИДРОТЕРМ
По результатам математического моделирования установлено наличие максимальных расходов пароводяных скважин, которое связывается с первой стадией критического потока. Эксплуатация скважины с устьевым давлением ниже соответствующего максимальному расходу нецелесообразна. Указана некорректность использования экстраполяции опытных графиков производительности для прогноза расходов скважин. Отмечена целесообразность опытного определения графиков производительности добычных скважин в процессе разработки месторождений, с определением максимального расхода и соответствующего ему устьевого давления. Ключевые слова: месторождение парогидротерм, добычная скважина, пароводяная смесь, устьевое давление, расход.
Использование глубинного тепла Земли является одним из успешно развивающихся направлений нетрадиционной энергетики [1]. Первенец Российской геотермальной энергетики, Паужетская ГеоЭС на Камчатке, эффективно эксплуатируется с 1966 г. Поступление теплоносителя на станцию обеспечивается разработкой Пуажетского месторождения парогидротерм, добычные скважины которого выводят на поверхность пароводяную смесь, работая в режиме парлифта.
Рост потребности Паужетского энергоузла в последние годы вызвал необходимость ввода в эксплуатацию всех имевшихся в резерве добычных скважин. Работа с максимальны-ми расходами обозначила проблему - снижение со временем объемов вырабатываемой элекроэнергии. Для выяснения причин снижения выработки летом 2013 г. были проведены комплексные исследования системы добычи и транспортировки теплоносителя и определен перечень мероприятий по стабилизации и увеличению добычи, в число которых вошло использование резерва эксплуатирующихся с повышенным устьевым давлением скважин 103, 120, 122 и 131. Предполагалось, что снижение устьевого давления путем реконструкции системы транспортировки теплоносителя заметно увеличит расход добываемого теплоносителя. Увеличение расхода определялось с использованием графиков производительности, выражающих зависимость расхода от устьевого давления, получаемых экспериментально для, обычно, трех-четырех значений устьевого давления. В результате предполагалось довести расход скважины 103 до 36 кг/с, скважины 120 - до 19 кг/с, скважины 122 - до 47 кг/с, скважины 131 - до 54 кг/с.
Графики производительности скважин 122 и 131 первый (и последний) раз снимались в 1977 и 1979 гг., соответственно. Наблюдения текущих эксплуатационных параметров показывают существенное изменение производительности этих скважин с момента испытаний. Графики скважин 103 и 120 снимались летом 2013 г., но с использованием методов измерения расхода, не претендующих на высокую точность. Кроме того, предполагаемое давление (2,5 бар) выходило за диапазон опробования всех скважин, вследствие чего
активно использовалась экстраполяция в область высоких расходов. В этой связи целесообразно найти способ расчетного определения графиков производительности на текущий момент.
Зависимость расхода пароводяной скважины от устьевого давления определяется гидродинамическими процессами как в стволе скважины, так и в питающем ее геотермальном резервуаре. В работе [2], показано, что используя простейший расчет течения в скважине и принимая давление в питающем резервуаре постоянным, можно добиться хорошего согласования расчетных и опытных графиков, т.е. доминирующим фактором является процессы в стволе скважины. В нашем случае речь идет о расчетном определении графиков производительности эксплуатирующихся скважины и особую ценность представляют область расходов вблизи текущего эксплуатационного значения. Учитывая, что для этой области если и есть изменения параметров в геотермальном резервуаре, то незначительные, неспособные существенно повлиять на окончательный результат, предлагается следующий способ расчета графика производительности:
1. По давлению, расходу и энтальпии на устье, определяемых при текущей эксплуата-ции скважины, с помощью математического моделирования находим давление и энтальпию в питающем резервуаре (на верхней границе зон питания скважины, ниже этой границы выполнение расчетов некорректно, поскольку вносится неопределенность в расход).
2. Принимая давление и энтальпию в питающем резервуаре неизменными, для различных расходов с помощью математического моделирования находим устьевое давление, таким образом, получаем взаимосвязь расхода и устьевого давления.
В настоящей работе для расчета течения в стволе скважины использовалась модель ШБЬЬ-4 [3]. Уверенность в выборе модели придает тот факт, что выполненные в указанной работе теоретические оценки подтвердились на практике [4], обоснованная реконструкция скважины А-2 Мутновского месторождения позволила сэкономить на строительстве новой скважины 180 млн руб. Модель описывает как чисто водяное, так и пароводяное течение. Основу модели составляют уравнения неразрывности, движения и энергии: ¿в = 0,
р V"¿V" + р'(1 - ф)V'¿V' + ¿°" = -& - ¿г - Р36г
СИ + Се + дёг = Сц
где в и в" - массовые расходы смеси и пара; р", р' и р - плотности пара, воды и смеси; ф - истинное объемное паросодержание; V" и V - скорости пара и воды; г - направленная вверх координата вдоль оси трубы; р - давление; Я - радиус скважины; т - касательное напряжение на стенке; д - ускорение свободного падения; Ь - удельная энтальпия смеси; е - удельная кинетическая энергия; ¿ц - изменение энергии за счет теплового потока от стенок.
Скважины 103, 120, 122 и 131 Паужетского месторождения в течение многих лет находятся в эксплуатации. Необходимые для расчета данные: внутренний диаметр, глубина верхней границы зон водопритоков, устьевые параметры по состоянию на лето 2013 г., а также расчетное давление на заданной глубине, представлены в таблице. Расчетные графики представлены на рисунке.
Из графиков видно, что существует не только максимальное устьевое давление, но и максимальный расход, а также соответствующее ему устьевое давление. Максимальные расходы и соответствующие ему устьевые давления составили: скважина 103 - 32,9 кг/с, 3,1 бар; скважина 120 - 28,8 кг/с, 1,7 бар; скважина 122 - 43,2 кг/с, 2,6 бар; скважина 131 - 45,9 кг/с, 2,6 бар. Расчет с расходом выше максимального невозможен в связи с возникновением разрыва градиента давления.
Разрыв градиента давления в некотором, обычно выходном, сечении канала является признаком критического потока, проявляющегося наличием скачка давления, препятствующего прохождению возмущений от снижения давления вниз по потоку. Для однофазных сред условие критичности отождествляется с достижением потоком скорости звука. Для двухфазных сред такую аналогию, обычно, не используют, поскольку речь идет о разных явлениях, которые сами по себе имеют сложную трактовку. При истечении пароводяной смеси экспериментально выделены три стадии критичности, проявляющиеся по мере снижения противодавления [5]. На первой стадии расход становится независящим от противодавления (давления в среде, окружающей истекающую струю), при этом давление истечения (в выходном сечении) равно противодавлению. Затем, давление истечения начинает превышать противодавление, но все же снижается вслед за ним. Наконец, наступает третья стадия, характеризующаяся полной независимостью параметров истечения от противодавления.
Формирование поверхности разрыва градиента давления происходит в условиях, когда составляющая градиента давления на ускорение, связанное с изменением давления, т.е. обусловленное наличием собственно градиента давления, становится равной самому градиенту давления. Для пароводяного потока ускорение смеси, кроме факторов сжимаемости сред, зависит от фазового перехода и скорости скольжения фаз. Учет ускорения в используемой математической модели привел к возникновению разрыва, который приближенно можно ассоциировать с достижением условий для возникновения первой стадии критичности. Для последующих стадий необходимо использование специальной модели, учитывающей особенности поведения фаз при высоких градиентах давления (порядка 10 бар/м [6]). Возможно, успех моделировании последующих стадий лежит на пути использования эволюционных моделей, описывающих, подобно рассмотренному случаю, развитие обычного потока в критический.
Полученные максимальные расходы немногим выше характерных для текущей эксплуатации (таблица), и для скважин 103, 122 и 131 ниже ожидаемых,
Расчетные зависимости устьевого давления от расхода скважин Паужет-ского месторождения парогидротерм:
1 - скв. 120, 2 - скв. 103, 3 - скв. 122, 4 - скв. 131
Скважина Диаметр, м Глубина, м Устьевое давление, бар Расход смеси, кг/с Энтальпия смеси, кДж/кг Давление на глубине, бар
103 0,152 320 5,5 28,1 775 25,3
120 0,199 249 4,1 14,0 812 6,6
122 0,199 249 4,1 41,6 846 9,8
131 0,199 295 5,1 37,8 804 12,9
полученных на основе экстраполяции опытных графиков производительности, после проведения запланированных мероприятий. Расчетные графики, в силу погрешностей используемой модели, принятых допущений, исходных данных и т.д., не претендуют на высокую точность. Последнее слово все равно должно быть за экспериментом на текущий момент времени, использующим точные методы измерений. Тем не менее, очевидна некорректность экстраполяции опытных графиков производительности, тем более полученных значительно раньше прогнозируемого срока, в область высоких расходов.
Первая стадия критического потока допускает возможность существенного снижения давления истечения. Кроме того, практически измеряемое устьевое давление может не соответствовать сечению критического потока. Поэтому принципиально возможно снижение устьевого давления ниже значения, соответствующего максимальному расходу. Однако такое снижение не приведет к росту расхода, а только уменьшит энергетическую ценность теплоносителя. Следовательно, снижение устьевого давления ниже соответствующего максимальному расходу нецелесообразно.
Потребность в прогнозе расхода добычных скважин при изменении устьевого давления регулярно возникает при разработке всех месторождений паро-гидротерм. Такой прогноз, например, активно использовался при планировании мероприятий по реконструкции системы транспортировки теплоносителя на Мутновском месторождении. Поэтому, с учетом полученных результатов, в комплекс работ по мониторингу разработки месторождений парогидротерм целесообразно включить периодическое опробование добычных скважин с целью экспериментального определения графиков производительности. При этом необходимо определять максимальный расход и соответствующее ему устьевое давление.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bertani R. Geothermal power generation in the World 2005-2010. Update report // Proceedings, World Geothermal Congress 2010. - Bali, Indonesia, 2010.
2. James R. Factors controlling borehole performance // Geothermics. 1970. - V. 2. -P. 1502-1515.
3. Шулюпин А.Н., Чермошенцева А.А. О расчете пароводяного течения в геотермальной скважине // Журнал технической физики. - 2013. - Т. 83. № 8. - С. 14-19.
4. Чернев И.И., Шулюпин А.Н. Изменение конструкции как способ повышения производительности добычных скважин парогидротермальных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. - Отд. Вып. 4. - С. 103-107.
5. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 560 с.
6. Шулюпин А.Н. Экспериментальное исследование критического режима истечения пароводяной смеси // Прикладная механика и техническая физика. - 2011. - № 6. - Т. 52. -С. 122-128. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Шулюпин Александр Николаевич - доктор технических наук, заместитель директора по научной и инновационной работе, e-mail: ans714@mail.ru, Институт горного дела ДВО РАН,
Чермошенцева Алла Анатольевна - кандидат технических наук, доцент,
e-mail: allachermoshentseva@mail.ru,
Камчатский государственный технический университет.
UDC 622.997:532.529
EVALUATION OF THE MAXIMUM FLOW-RATE OF MINING WELLS FOR PAUZHETKA GEOTHERMAL FIELD
Shulyupin A.N., Doctor of Technical Sciences,
Deputy Director on Scientific and Innovation Activities, e-mail: ans714@mail.ru, Mining Institute of the Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Chermoshentseva A.A., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, e-mail: allachermoshentseva@mail.ru, Kamchatka State Technical University.
Existence of maximum flow-rates of steam-water wells of Pauzhetka geothermal field is defined by numerical modeling. The obtained phenomenon is associated with the first stage of the critical flow. The operation of well with the pressure below the maximum flow rate is impractical. Using of extrapolation of experimental determined performance characteristics is not correct in order to predict wells flow-rates. The necessity of experimental determination of well performance in the process of exploitation is noted. Also the experimental determination of the maximum flow-rate and its corresponding wellhead pressure are noted.
Key words: steam-thermal spring deposit, production well, steam-and-water mixture, mouth pressure, flow.
REFERENCES
1. Bertani R. Geothermal power generation in the World 2005-2010. Update report. Proceedings, World Geothermal Congress 2010. Bali, Indonesia, 2010.
2. James R. Factors controlling borehole performance. Geothermics. 1970. V. 2, pp. 1502-1515.
3. Shuljupin A.N., Chermoshenceva A.A. Zhurnal tehnicheskoj fiziki, 2013, vol. 83, no 8, pp. 14-19.
4. Chernev 1.1., Shuljupin A.N. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2013, special issue 4, pp. 103-107.
5. Teoreticheskie osnovy teplotehniki. Teplotehnicheskij jeksperiment: Spravochnik. Pod red. V.A. Grigor'eva i V.M. Zorina (Theoretical principles of heat engineering. Heat transfer experiment: Directory, Grigoryev V.A., Zorin V.M. (Eds.)), Moscow, Energoatomizdat, 1988, 560 p.
6. Shuljupin A.N. Prikladnaja mehanika i tehnicheskaja fizika, 2011, no 6, vol. 52, pp. 122-128.
