CC BY
34
--------------------------------------------- © С.Д Сурин, А.Н. Карпухин,
2009
УДК 622.241:002.68:536.24
С.Д. Сурин, А.Н. Карпухин
ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СКВАЖИННЫХ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ЗАХОРОНЕНИЯ БУРОВЫХ ОТХОДОВ
Изучено тепловое воздействие на многолетнемерзлый массив при строительстве подземных резервуаров методом скважинной гидродобычи.
Ключевые слова: буровые отходы, скважинные резервуары, мерзлые пески, температурный режим для подземных резервуаров.
Семинар № 17
S.D. Surin, A.N. Kapuhin
AN ESTIMATION OF HEAT IMPACT OF BOREHOLE TANKS BUILDING FOR BURIAL OF DRILL CUTTING WASTE
Heat impact on permafrost rock mass during building of underground borehole tanks is studied.
Key words: drill cutting waste, borehole tanks, permafrost sands, thermal regime for underground tanks.
~ЩЪ настоящее время большое внимание уделяется развитию Крайнего Севера и построению сырьевой базы. Активно ведется разведка и добыча горючих полезных ископаемых - нефти и газа. После любого негативного воздействия, как на растительный покров, так и на геокриологическую обстановку в регионе, время восстановления естественных условий может равняться десяткам лет. В связи с этим ОАО «Подзем-газпром» предлагает создание серии подземных резервуаров на Бованенков-ском НГКМ для хранения ГСМ в течение необходимого срока и захоронения в подземных полостях отходов бурения, обладающих слабой степенью токсичности. Данное технологическое решение существенно снизит риск экологической опасности для территории и является
более экономичным с точки зрения создания и эксплуатации существующих хранилищ.
Резервуары строятся в мерзлых песчаных отложениях на глубинах от 15 до 80 м. При температуре вмещающих мерзлых пород от -4 до -5 0С.
Целью работы является изучение теплового воздействия на многолетнемерзлый массив при строительстве подземных резервуаров методом скважинной гидродобычи. Извлеченный песок может быть использован для строительных нужд (в частности отсыпки территории). Основным свойством мерзлых пород является изменение их прочностных и деформационных свойств при изменении температурного режима массива грунтов. Т.е. увеличение температуры массива вблизи подземного резервуара может привести к конвергенции выработки или (в худшем случае) к катастрофическим последствиям - потере устойчивости и обрушению потолочины и стенок камеры, поэтому необходимо изучение и прогноз динамики температурных полей вблизи подземной выработки.
Расстояние, га
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
1700 □ 3500 Д 6500
Рис. 1. Распределение температур грунтов вблизи стенок создаваемых резервуаров объемом-1700, 3500 и 6500 м3 при температуре воды 10 0С
Таблица 1
Теплофизические характеристики грунтов, задаваемые для расчетов в программе “WARM”
Теплофизические характеї истики
Грунт Т еплоем-кость (талой фазы), ст, ккал/м3 °С Теплоем-кость (мерзлой фа-зы),СМ, ккал/м3 °С Теплопроводность (талой фазы) /\т, ккал/м °С час Теплопроводность (мерзлой фазы) /\м, ккал/м °С час Теплота фазовых переходов Qф, ккал/м3 Темп-ра начала замерзания, °С
Суглинки легкие 739 505 1,35 1,55 30000 -0,5
Пески пылеватые 620 450 1,55 2,09 17500 0
Суглинки тяжелые 720 550 1,15 1,42 30000 -1
Буровые отходы 740 580 1,1 1,3 50000 -1,5
Лед/Вода 1000 500 0,5 2 80000 0
В работе была сделана количественная оценка процесса теплового взаимодействия при строительстве подземных резервуаров объема (1700, 3500 и 6500
3ч
м ) и вмещающего массива мерзлых
песков. При этом решались следующие поставленные задачи:
I. Оценка теплового воздействия на вмещающие породы при строительстве подземных резервуаров разного объема (1700, 3500 и 6500 м3) располо-
женных в толще многолетнемерзлых песков.
II. Выявление зависимости нарастания ледяной облицовки на стенках резервуара от времени и начальной температуры воды в резервуаре, построенном в мерзлых песках (при расчете теплового воздействия рассматривались варианты для температуры закачиваемой воды от 0 0С до +5 0С). Температура вмещающих пород на начало закачки воды -4 0С.
III. Время восстановления естественного температурного поля для подземных резервуаров в мерзлых песках.
Поставленные задачи решались численным методом с помощью программы “WARM”, созданной на кафедре геокриологии МГУ (авт. свидетельство №940281). Данная программа расчета температурного режима грунтов основана на энтальпийном методе, позволяющем наиболее точно отразить физические процессы, происходящие при оттаивании-замерзании влаги в грунте. В качестве численного метода применена схема метода конечных разностей как наиболее простая и надежная. Программа дает возможность рассчитать температурный режим в грунтовом массиве при:
- неоднородных свойствах грунтов;
- переменных пространственных размерах элементов-блоков, составляющих массив грунта;
- различных граничных условиях на границах расчетной области.
Исходные данные для расчетов были предоставлены организацией «Криос» и включали в себя результаты натурных наблюдений за геокриологическими условиями на Бованенковском НГКМ. Без ограничения общности можно считать, что геологический разрез территории Бованенковского НГКМ можно приблизительно разбить на три типа инженер-
но-геологических элементов: верхний -представленный легкими суглинками морского происхождения, замерзающими при температуре -0,5 0С; средний -песчаный, с температурой замерзания 0 С; нижний - сложенный тяжелыми суглинками, имеющими температуру замерзания около -1 - -1,5 0С (табл. 1).
При строительстве в областях вечной мерзлоты помимо фазового состояния грунтов (мерзлое/талое) важной характеристикой, влияющей на их прочностные и деформационные свойства, является температура, при которой грунты сохраняют пластичную консистенцию (пластично-мерз-лое состояние). Для мерзлых песков данная температура составляет около -0.5 - -1.0 0С. Т.е. важно количественно оценить размеры возможной зоны, в которой мерзлые пески на стенках резервуара могут быть неустойчивы.
Для оценки теплового воздействия на грунтовый массив при создании подземных хранилищ методом оттаивания мерзлых песков построена математическая модель, основанная на следующих упрощающих предположениях:
1. Грунтовый массив, окружающий создаваемый резервуар, считается однородным и изотропным. Т.к. резервуар создается в многолетнемерзлых песках, то коэффициент теплопроводности принимается равным 2,09 (Ккал/ (м*ч*К)), что соответствует худшему случаю, когда массив грунтов наиболее подвержен тепловому воздействию от создаваемого хранилища. Скрытая теплота фазовых переходов в мерзлых песках принимается равной 17500 (Ккал/м3), что вполне соответствует пескам с некоторой долей пылеватых примесей, распространенных на территории Бованенковского НГКМ.
2. Рассматривается одиночная цилиндрическая подземная выработка (радиально-симметричная задача). Теп-
расстояние, м
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
-4,50 -4,00 О -3,50 & -3,00 ^ -2,50 | -2,00 | -1,50
«г -1,00
-0,50
0,00
—Т=20--------Т=10 —*-Т=5
Рис. 2. Распределение температур грунтов вблизи стенок создаваемых резервуаров в зависимости от температуры воды, подаваемой в резервуар
ловое взаимодействие с параллельными выработками на этом этапе не учитывается. Такая постановка задачи позволяет оценить зону влияния отдельно создаваемого резервуара и распределение температур вблизи цилиндра.
3. Температура грунта в естественных условиях считается неизменной во времени и по глубине ввиду создания резервуаров ниже глубины нулевых годовых амплитуд. Такое допущение заметно упростит решение поставленной задачи и уменьшит время машинного счета на данном этапе.
4. Для моделирования процесса создания подземного хранилища допускается, что оттаявший песок оседает на дно и эрлифтируется на поверхность.
5. Температура воды, подаваемой в резервуар, считается постоянной и неизменной во времени.
Перечисленные допущения и близость формы подземной выработки к цилиндрической позволяют ставить тепловую задачу как радиально-
симметричную при ее решении конечноразностным метом.
В расчетах определялось изменение температуры внутри массива мерзлых песков в непосредственной близости от границы «вода - мерзлый грунт» для различной температуры воды, подаваемой в резервуар (рис. 1).
Известно, что мерзлые грунты даже при отрицательной температуре могут сохранять пластичные свойства (пластично-мерзлое состояние). Поэтому стояла задача оценить возможные размеры данной зоны, образующейся при растеплении массива грунтов при создании подземной полости (для мерзлых песков Бованенковского НГКМ рубеж температур для такой зоны составляет -1 0С).
Исходя из анализа полученных данных, можно отметить, что при создании резервуаров различной емкости зона, в которой могут проявляться пластичные свойства грунтов, составляет до 12 см. Т.е. при быстром оттаивании мерзлых
Рис. 3. Нарастание ледяной облицовки на стенке резервуара диаметром 10 м. Начальная температура воды равна +0 0С
Нарастание ледяной облицовки на стенке резервуара
время, сут.
Рис. 4. Нарастание ледяной облицовки на стенке резервуара диаметром 10 м для различных значений (степени конвекции) коэффициента теплопроводности в объеме воды Начальная температура воды равна +2 0С
песков водой с температурой от +5 до +20 0С воздействие на грунтовый массив будет незначительно.
При создании опытного резервуара на Бованенковском НГКМ начальная температура воды, используемой для размыва мерзлых песков, составляла 16
0С. Температура выносимой пульпы составляла 8-9 0С. Смоделировав данный процесс можно отметить, что растепление массива грунтов будет несущественно отличаться от случаев, где используется вода другой температуры (5 и 20 0С) (рис. 2).
Таблица 2
Зависимость температуры грунта от расстояния до стенки хранилища на момент окончания размыва резервуара объемом 1700 м3
Tb=20°C х, м 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,3 1,8
T, °С 0,00 -2,03 -3,10 -3,59 -3,80 -3,89 -3,97 -3,99
Тв=15°С х, м 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,3
T, °С 0,00 -2,92 -3,64 -3,85 -3,93 -3,96 -3,99
Тв=10°С х, м 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,4 1,9
T, °С 0,00 -2,07 -3,05 -3,49 -3,71 -3,90 -3,96 -3,99
Тв=5°С Х, м 0,0 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 2,3
T, °С 0,00 -1,14 -2,33 -3,00 -3,39 -3,61 -3,76 -3,85 -3,99
Это связано с тем, что поток тепла, проходящий в грунтовый массив, зависит, прежде всего, от теплопроводности мерзлого песка. Отметим, что температура подаваемой в резервуар воды влияет больше на время создания подземной полости, нежели на изменения температурного режима окружающих грунтов. Скорость распространения температурной волны в массиве мерзлых песков сопоставима со скоростью продвижения границы оттаивания.
Необходимо отметить, что в грунтовый массив уходит незначительное количество тепла (менее 1%), подаваемого в подземную полость.
Количество тепла, затраченного на оттаивание мерзлого песка в полости, можно рассчитать по формуле:
Qф=VL
где V - объем полости, L - объемная теплота фазовых переходов.
Причем тепло, идущее непосредственно на оттаивание мерзлой породы составляет около 80% от общего количества тепла, подаваемого в камеру.
Qсумм Qф / 0.8
Для расчета приблизительного количества тепла, прошедшего в массив, можно предложить следующий метод: считается, что все тепло, идущее в грунтовый массив, прошло через стенку цилиндра и
пошло на нагрев мерзлых песков с температуры -4 0С до более высокой температуры, которую можно получить из программы «WARM» для некоторого расстояния от границы резервуара. Далее, воспользовавшись тем, что мы знаем зависимость величины изменения температуры от расстояния, можно вычислить количество тепла, затраченное на нагрев массива.
Из данных, полученных с помощью программы «WARM» (табл. 2) видно, что наибольшее растепление мерзлых песков произошло при использовании воды с более низкой температурой и захватило зону в 2.3 м вблизи резервуара.
Можно разбить область на сегменты в виде вложенных друг в друга полых цилиндров с температурами, полученными в результате счета программы. Тогда количество тепла, затраченное на нагрев массива, можно будет рассчитать следующим образом:
Рм = £ (*( R 2 + R 0 )2 -*( R + R 0 )2 )hcat
где R0 - радиус цилиндра; R1 ,R2 - радиусы грунтовых цилиндров; C - объемная теплоемкость мерзлого песка; AT - разница исходной и данной температуры массива.
Для резервуара объема 1700 м3 Qф = 30105880 Ккал,
30,0 -I-----------------------------------------------------------------------------------
0 20 40 60 80 100 120
время, сут
Рис. 5. Нарастание ледяной облицовки на стенке резервуара диаметром 10 м для различных значений (степени конвекции) коэффициента теплопроводности в объеме воды Начальная температура воды равна +4 0С
Нарастание ледяной облицовки
-Л=5
Л=10
Рис. 6. Нарастание ледяной облицовки при прекращении конвекции в резервуаре. Начальная температура воды +2 0С
Qсумм=37632350 Отношение Qм ^сумм=0,0045 ,т.е. на
Qм = 16764 Ккал. нагрев массива уйдет менее 1% от коли-
чества тепла, затраченного на оттаивание подземной полости.
Для моделирования процесса образования ледяной облицовки на стенках резервуара, созданного в мерзлых песках, были приняты следующие допущения:
1. Массив считается однородным и
изотропным (теплопроводность мерзлых песков 2.09 ккал/м*час*К, талых - 1.55 ккал/м*час*К, теплоемкость в мерзлом состоянии 450 ккал/м3*К, в талом - 620 ккал/м3*К, скрытая теплота фазовых переходов 17500 ккал/м3, температура оттаивания 0 0С. Эти данные являются ос-редненными по Бованенковскому
НКГМ.
2. Подземный резервуар имеет цилиндрическую форму, причем радиус существенно меньше высоты цилиндра. Это допущение позволяет рассматривать одномерную задачу, т.к. тепловое воздействие на резервуар будет одинаковым со всех сторон.
3. Температура массива грунтов в естественных условиях считается неизменной по времени и глубине и равна -4 0С, что обусловлено расположением кровли резервуара ниже слоя нулевых годовых амплитуд. Такое допущение существенно упрощает расчеты и анализ результатов.
4. Оттаявший песок- падает на дно резервуара.
В начальный момент времени т = 0 внутри резервуара задается температура воды Тв = 0, +2 или +4 0С. Исходный радиус подземного резервуара составляет 10 м, причем радиус меньше высоты резервуара.
Темп процесса образования ледяной облицовки на стенке резервуара существенно зависит от начальной температуры воды, находящейся в полости, от теплофизических свойств грунтов, слагающих мерзлый массив, и от процессов конвекции, происходящих в подземной полости. Динамику движения границы
раздела фаз, а, следовательно, ледяной облицовки на стенке цилиндра, заполненного теплой водой, в мерзлом массиве можно представить следующим образом (рис. 3-7).
Хорошо видно, что при различных условиях конвекции отдача тепла в мерзлый массив даже при температуре воды +2 0С может приводить к существенному (до 0.5 м) оттаиванию стенки и продолжаться до тех пор, пока температура внутри резервуара не опустится до 0 0С. Причем оттаивание может продолжаться довольно длительное время (до восьми месяцев в случае активного перемешивания внутри полости). А при температуре воды +4 0С оттаивание может затрагивать зону в 0.9 - 1.0 м.
Из опыта создания ледяной облицовки в шахтных резервуарах известно, что ледяной слой мощностью 5 см нарастает на стенке резервуара за 1.5 - 2 месяца, причем без проявления сильных оттаивающих эффектов на стенке. Отсюда можно сделать вывод, что конвекция в подземных выработках, не подверженных внешним воздействиям, является достаточно слабой (/\ < 5-10).
В реальных условиях конвективный теплообмен постепенно затухает ввиду охлаждения воды у стенки, что ведет за собой уменьшение интенсивности перемешивания. Можно считать, что конвекция в подземной полости идет после создания резервуара некоторое время (10 суток) после чего передача тепла идет исключительно за счет теплопроводности.
Тогда оттаивание идет только в период активного перемешивания воды и далее начинается процесс образования ледяной облицовки на стенке хранилища.
Под восстановлением естественного температурного режима мерзлого массива подразумевается время, через кото-
рое мерзлые грунты приобретают температуру-3 - -3,5 0С и ниже. Время восстановления естественного температурного поля после оттаивания подземной камеры зависит, в первую очередь, от технологических решений, принятых при создании хранилища. Рассмотрим два возможных варианта:
1. Техническая вода удаляется из полости сразу после завершения размыва мерзлых песчаных отложений. В этом случае температурное поле довольно быстро принимает исходное состояние (рис. 8).
В зависимости от температуры воды, используемой для создания резервуара, размер получаемой зоны растепления, а, следовательно, и время восстановления естественного температурного фона, будет различным. Наибольшему растеплению подвержены мерзлые пески при использовании воды невысокой температуры. Это связано с тем, что скорость оттаивания при понижении температуры воды падает и требуется большее количество времени на процесс создания подземной полости. В связи с этим увеличивается и размер зоны теплового влияния в массиве. При сливе воды сразу же после создания резервуара температурный фон (-3 0С) восстанавливается в течение 2 месяцев.
Однако, можно отметить, что при оставлении воды в полости после создания резервуара размер зоны теплового влияния будет существенно больше, чем при удалении воды. Т.к. будет развиваться затухающий во времени процесс дальнейшего оттаи-вания стенок хранилища.
2. При оставлении технической воды в полости восстановление естественного температурного фона в прилегающем к хранилищу массиве начнется только после периода, необходимого для начала образования ледяной облицовки на стенках хранилища и дальнейшего роста
прослоя льда. В этом случае определяющим фактором на время восстановления исходного состояния у стенки резервуара является температура воды, оставшейся в полости после создания хранилища.
Выводы
1. Математическое моделирование процесса теплового взаимодействия подземного резервуара с окружающими вечномерзлыми грунтами показало: во время создания подземной полости тепловое воздействие на вмещающие породы охватывает зону не превышающую 2.5 м и при этом размер зоны, содержащей пластичномерзлые грунты, составляет 12 см (на момент окончания отработки полости).
2. Расчеты теплового взаимодействия резервуара после строительства с вмещающими многолетнемерзлыми породами, время восстановления естественных температур (как при сливе технической воды после создания полости, так и при оставлении ее в камере) и время образования ледяной облицовки для нескольких типов моделей: а) вода в резервуаре не подвержена конвекции (перемешиванию) и ведет себя как твердое тело, перенося тепло только за счет тепло-проводности; б) конвекция учитывается (причем задавались разные эффективные коэффициенты теплопроводности для воды); в) конвекция учитывалась в течение первых 5 дней после создания резервуара.
- при откачке технологической воды после создания подземного резервуара восстановление естественного температурного поля вблизи стенок камеры происходит в течение первых недель.
- при оставлении воды в резервуаре после его создания восстановление температурного режима происходит только после завершения процесса нарастания ледяной облицовки и слива воды после окончания образования ледяной стенки.
Восстановление до температуры -3.5 0С после создания ледяного экрана и откачки воды из полости происходит также в течение 30 дней.
Причем при наличии конвективного теплообмена в подземной полости оттаивание мерзлого массива достигает величины 0.5 м при температуре воды +2 0С и до 0,95 м при температуре воды +4 0С. Однако можно предположить, что конвективный теплообмен у стенки хранилища прекратится через несколько дней ввиду остывания воды. В таком случае ледяная облицовка начинает об-
разовываться и достигает мощности 5 см через 95-120 дней после прекращения перемешивания воды.
3. Время восстановления температурного режима для подземных резервуаров, сооруженных в прослоях льда, зависит от времени откачки воды из подземной полости: при сливе технологической воды после создания подземного резервуара восстановление естественного температурного поля вблизи стенок камеры до температуры -2 0С происходит в течение первых недель.
И'.ГЛП
— Коротко об авторах
Сурин С.Д., Карпухин А.Н. - аспиранты,
Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
РОССИИСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ
КУЛИКОВ Владимир Владиславович Научные основы промывки разведочных скважин в сложных геологических условиях 25.00.14 д.т.н.
МЕРКУЛОВ Михаил Васильевич Оптимизация энергетических комплексов при бурении геологоразведочных скважин в условиях Крайнего Севера 25.00.14 д.т.н.
ХАН-ЛИН-ЧЖО Обоснование степени насыщения кусков и динамики движения растворов при кучном выщелачивании металлов 25.00.22 к.т.н.
