Диссертация по альтернативным скважинам. ДИССЕРТАЦИЯ_СТРАУПНИК. Обоснование и разработка технологии опробования и эксплуатационной разведки ресурсов тепловой энергии приповерхностных толщ горных пород теплообменными скважинами
 Скачать 3.09 Mb.
|
|
q t , Вт/К, получим ÍÑ t aH aD q k H (5.11) Минимальное расстояние между скважинами зависит от максимального радиуса зоны теплового влияния и может быть рассчитано следующим образом , 2 max R k L L (5.12) где k L – коэффициент запаса R max – максимальный радиус зоны теплового влияниям. Расчет длин активных участков скважин при различном их количестве, при каждом конкретном диаметре скважины выполняется с помощью номограммы, общий вид которой представлен на рисунке 5.28. Рисунок 5.28 – Номограмма для определения диаметра, глубин и количества теплообменных скважин Для каждого расчетного значения диаметра на вертикальной оси отмечаются выбранные для вариантного расчета и из этих точек влево и вправо опускаются перпендикуляры на графики. Вправо перпендикуляр пересечется с зависимостью стоимости бурения одного метра от диаметра скважины. Влево перпендикуляр пересечет графики зависимости глубины бурения от диаметра и количества скважин. Перемножив значения глубин на соответствующие значения стоимости, определяется стоимость бурения каждого варианта. Наименьшее значение стоимости, определяет оптимальный варианта также диаметр и глубину скважин. Число скважин будет равно удвоенному значению параметра a, так как режим работы теплообменных скважин подразумевает периодическое включение и выключение циркуляции теплоносителя в них для восстановления температурного поля массива. После выбора оптимального варианта конструктивных элементов теплообменных скважин, проводится окончательный проверочный расчет, и даются рекомендации по режиму ее работы, исходя из потребности в тепловой энергии. С помощью зависимостей (5.8) и (5.9) оценивается время восстановления температурного поля массива, стем, чтобы работа теплообменных скважин не охлаждала массив настолько, что его использование в качестве источника низко потенциальной энергии окажется неэффективным. а 3 а а Н Н Н Ц D i Стоимость бурения, руб/м Глубина скважин, м Диаметр скважин, м Выводы по главе 5 В пятой главе подробно изложены подготовка и ход проведения экспериментальных испытаний по изучению процессов теплообмена на созданном для этой цели экспериментальном стенде. Проведена серия из пяти испытаний каждая длительностью 8 часов. Обработка и анализ результатов позволяют сделать следующие основные выводы 1. Эффективная разница температур обратно пропорциональна корню 4- ой степени из времени, что и предполагалось на этапе теоретических исследований. 2. КПД теплообменной скважины на момент окончания испытания снижался в среднем на 15%. 3. Основным интервалом, меньше подверженным влиянию посторонних источников тепловой энергии, является интервал 4…8 м, который был выбран расчетным. 4. Сравнение экспериментальных и теоретических значений удельной тепловой мощности на участке установившегося теплообмена в скважине показывает, что полученные теоретические зависимости с достаточно высокой степенью точности описывает процесс теплообмена. Статистический анализ свидетельствует о высоком качестве аппроксимации, полученные корреляционные отношения составляют 0,94 и 0,95 для зависимостей (4.9) и (4.42), соответственно. 5. Сравнение экспериментальных и теоретических значений эффективной разницы температур на участке установившегося теплообмена показывает, что полученные теоретические зависимости с достаточно высокой точностью описывает процесс теплообмена в скважине с точностью 84%. 6. Расчетный анализ экспериментальных данных показал развитие небольшого по величине зоны теплового влияния средним радиусом порядка 25 см. Также полученное выражение (5.6) может быть использовано для упрощенного расчета рассматриваемого параметра с достаточной для этого точностью. Проведенные на Исследовательском полигоне натурные наблюдение позволяют сделать следующие выводы 1. Система тепловых насосов и теплообменных скважин работает на достаточном уровне производительности, однако, важно отметить, что при принятом режиме эксплуатации системы, глубина или число пробуренных скважин оказывается больше необходимого, что также позволяет повысить нагрузку на используемую систему. 2. Были выделены наиболее показательные и информативные периоды работы группы скважин, оборудованных температурными датчиками. Проведенный анализ показал, что КПД теплообменных скважин к концу такого периода в среднем снижается на 25…30%. 3. Расчетные значения величины зоны теплового влияния составляют не более 40…42 см, что заведомо исключает влияние теплообменных скважин друг на друга, так как ближайшие из них расположены на расстоянии 10 м друг от друга. 4. Предложенная зависимость (5.8) может быть использована для оценки времени восстановления температурного поля массива с точностью до 15%. 5. Введенный коэффициент цикличности, позволяет спроектировать режимы проведения опробования и разведки, а именно рассчитать время восстановления температуры массива в зависимости от длительности опробования. Территория Ленинградской области разбита на 9 районов, каждому из которых присвоены следующие параметры температура пород нейтрального слоя, среднее значение геотермического градиента, средневзвешенные значения плотности, теплопроводности, удельной теплоемкости и температуропроводности. Рассмотренные параметры и схема районов Ленинградской области могут быть использованы в качестве исходных данных при проектировании теплообменных скважин на ее территории. Разработанная методика проектирование основных конструктивных параметров теплообменных скважин, позволяет выбирать наиболее оптимальные комбинации количества, глубин и диаметров. Методика проектирование рассчитана на применение коаксиальных теплообменных коллекторов, однако подход к проектированию может быть также использован при расчете скважин, использующих другие конструкции коллекторов. Разработана номограмма для определения диаметра, глубин и количества теплообменных скважин, которая позволяет выбрать наиболее экономически целесообразный вариант, так как позволяет определить наиболее дешевый вариант. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Результаты проведенных входе выполнения диссертационной работы изысканий позволяют сформулировать следующие основные выводы на поставленные задачи исследований 1. Массив горных пород является повсеместно доступными эффективным источником низко потенциальной тепловой энергии, сточки зрения ее использования для отопления гражданских и производственных сооружений. Наиболее эффективной конструкцией скважинного теплообменного коллектора является коаксиальный тип (с соотношением наружного диаметра к диаметру внутреннего канала в диапазоне 0,5…0,7), который показывает эффективность на 10…20% больше, чем другие конструкции теплообменных коллекторов. При этом наиболее рациональный режим проведения опробования и эксплуатации теплообменных скважин устанавливается в случае, если режим течения теплоносителя в коллекторе ламинарный, либо переходный со значениями критерия Рейнольдса в диапазоне от 2000 до 5000, что позволит осуществлять эффективный теплосъем с низкими затратами энергии на циркуляцию теплоносителя. Анализ характеристик действующих объектов на территории Ленинградской области, позволяет сделать вывод об отсутствии универсальной методики проектирования конструкции теплообменных скважин в конкретных геолого- технических условиях, то есть их диаметров, глубина также их количества, и об отсутствии системного подхода к выбору технологии их бурения и оборудования. 2. На основе анализа геологического строения и геотермических особенностей Ленинградской области, ее территория условно поделена на 9 крупных районов, каждому из которых присвоены следующие основные параметры температура пород нейтрального слоя, среднее значение геотермического градиента, а также средневзвешенные значения плотности, теплопроводности, удельной теплоемкости и температуропроводности. Данное районирование может быть использовано для получения исходных данных на этапе поисковых работ и для предварительного проектирования теплообменных скважин. Рассмотренный подход типизации геологических разрезов может быть также распространен и на другие территории. Данный подход позволяет на предпроектном этапе дать прогнозную оценку тепловых ресурсов приповерхностных толщ горных породи определиться с объемом и режимом проведения разведочных работ в зависимости от потребного количества тепловой энергии. 3. Для оценки эффективности качества работы теплообменных скважин введено понятие КПД теплообменной скважины, который зависит от таких параметров как общие потери давления потока циркулирующего теплоносителя, эффективной разницы температур и объемной теплоемкости теплоносителя. Обоснован допустимый уровень снижения КПД допри достижении которого циркуляция в скважине должна останавливаться и начинаться период восстановления температурного поля массива. Задача теплообмена между массивом горных породи скважинным коллектором была решена двумя способами, которые опирались на разные подходы. Первое решение базируется на определении коэффициента нестационарности теплового потока в системе скважина-массив. Второе решение подразумевает процесс теплообмена через цилиндрическую стенку, состоящую из вмещающих пород, которая ограничена с одной стороны стенкой скважины, ас другой границей зоны теплового влияния, постоянно растущей во времени. Оба решения связывают в единую зависимость следующие параметры теплофизические параметры горных пород, их температуру, геометрию скважинного коллектора, свойства теплоносителя, режим циркуляции и ее периодичность и позволяют определить такие параметры диаметр и глубину теплообменных скважин, в зависимости от режима проведения опробования ресурсов тепловой энергии. Все выше оговоренные зависимости позволяет проектировать конструкцию теплообменных коаксиальных скважина также рассчитать режимы проведения разведочных работ в них с помощью проведения опытных прокачек. 4. Для подтверждения полученных аналитическим путем зависимостей, был разработан экспериментальный стенд по изучению процессов теплообмена в скважине. На этом стенде была проведена серия испытаний, анализ и обработка результатов которых показывает высокую сходимость теоретических и фактических данных. Экспериментальные исследования показали, что коэффициент нестационарности теплообмена и эффективная разница температуры снижается обратно пропорционально корню ой степени из времени опробования. На основе экспериментальных данных были получены относительно простые эмпирические зависимости для определения радиуса зоны теплового влияния и времени восстановления температурного поля массива. Значение радиуса зоны теплового влияния прямо пропорционально произведению температуропроводности породи времени циркуляции в степени 0,3. Время восстановления температурного поля массива прямо пропорционально квадрату радиуса теплового влияния и обратно пропорционально температуропроводности массива пород. Режим проведения опробования должен выбираться следующим образом период циркуляции должен длиться до тех пор, пока эффективность теплообменной скважины не снизится до значения 70…75%, а время восстановления температурного поля рассчитывается, исходя из введенного коэффициента цикличности, зависящего от температуропроводности пород. Анализ проведенных натурных исследований на базе Испытательного полигона позволяет дать рекомендации по режиму и цикличности работы теплообменных скважин. Длительность работы группы теплообменных скважин не должна превышать 20…24 часов, когда их КПД снижается на 25…30% по сравнению с первоначальным уровнем. Данные, полученные с помощью температурных датчиков, позволили определить зависимость для оценки времени восстановления температурного поля в зависимости от температуропроводности слагающих его пород, оттого, уровня распространения фронта теплового влияния на массив. Рассматриваемый параметр является одним из критериев для разработки режима работы теплообменных скважин. 5. Разработанная методика проектирования конструкции и количества теплообменных скважин, которая подразумевает вариантный расчет. Выбираются диаметры теплообменных скважин, используются исходные данные о геолого-технических условиях и потребностях в теплоснабжении и на их основе рассчитываются зависимости количества, глубин и диаметров скважин друг от друга. Далее с помощью специальной номограммы выбирается наиболее экономически целесообразный вариант. Достоинством методики является то, что выбор наиболее дешевого варианта производится из уже оптимизированных вариантов, сточки зрения эффективности теплообмена. Данная методика после некоторой модификации может быть также использована при проектировании теплообменных скважин, оборудованных не только коаксиальными типами коллекторов. 6. Наиболее производительными технологиями бурения теплообменных скважин являются вибрационно-вращательное бурение и бурение с использованием двойной колонны бурильных труби забойных ударных машин с обратной циркуляцией очистного агента. В районах с маломощными четвертичными отложениями, фундамент которых представлен твердыми и крепкими кристаллическими породами наиболее эффективной технологией является вибрационно-вращательное бурение типа Sonic, которая позволяет не только снизить себестоимость бурения и увеличить его производительность, но и повысить эффективность работы скважинного коллектора за счет плотного контакта коллектора со стенкой скважины. В районах с развитой толщей четвертичных отложений, где коренные породы представлены средними по твердости осадочными толщами, наиболее эффективной технологией является бурение с применением двойных концентрических бурильных труб с обратной промывкой и/или применением забойных ударных машин, которое позволяет снизить себестоимость бурения и увеличить его производительность. При этом термические сопротивления в скважине будут минимальны, так как при бурении на стенке скважины не будет образовываться фильтрационная корка. Предложенная технология опробования и разведки позволяет снизить себестоимость разведочных работа также обеспечить высокое качество сооружаемых разведочно-эксплуатационных теплообменных скважин. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Алексеев В.А. Тепловые насосы тепло XXI века//Загородное обозрение. №8 – СПб, 2005. – С. 15-18. 2. Альтернативная энергетика в России // Электронный журнал Memoid. – URL: http://www.memoid.ru/node/Alternativnaya_ehnergetika_v_ Rossii дата обращения 27.05.11). 3. Антонов В.В. Поиски и разведка подземных вод. – СПб: Изд-во СПГГИ ТУ, 2004. – 94 с. 4. Богуславский Э.И. Геотермальные ресурсы СССР Физические процессы горного производства. Межвузовский сборник. – Л Изд-во ЛГИ, 1980. – вып. 12. – С. 17-21. 5. Большой соник Электронный ресурс. – URL: http://gortools.ru/userFiles/file/catalog/SonicSampDrill%20LS.pdf (дата обращения 12.03.11). 6. Брылин В.И. Бурение скважин специального назначения. – Томск Изд-во ТПУ, 2006. – 255 с. 7. Буйок П Анализ эффективности теплообменных скважин на Исследовательском полигоне Остравского технического университета / П. Буйок, М. Клемпа, И.А. Страупник, В.К. Чистяков // Горный информационно- аналитический бюллетень (научно-технический журнал) - №3, 2012, С. 371-376. 8. Бурение скважин для геотермальных зондов и монтаж зондов для тепловых насосов. Электронный ресурс. – URL: http://энергео.рф/geozond.php (дата обращения 19.03.12). 9. Буровые установки для геологоразведочных работ Электронный ресурс. – URL: http://www.gortools.ru/cat/30.html (дата обращения 19.03.11). 10. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низко потенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли. – Мс. Ганджумян Р.А. Практические расчеты в разведочном бурении. – М Недра, 1986. – 253 с. 12. Геология СССР Том 1, Ленинградская, Псковская и Новгородская области Под общ. ред. Селивановой ВАМ Недра, 1971. – 504 с. 13. Геотермальное отопление. Электронный ресурс, URL: http://www.skt- spb.ru/geothermal/ (дата обращения 04.06.11). 14. Геотермальные тепловые насосы Refcom/. Электронный ресурс, URL: http://refkomspb.ru/ (дата обращения 12.03.12). 15. Геотермическая карта России / Гл. редактор Смыслов А.А. – СПб: Изд-во ВСЕГЕИ, 1996. – 28 с. 16. Горшков В. Г. Тепловые насосы. Аналитический обзор Справочник промышленного оборудования - № 2, 2004. – С. 18-21. 17. Данилевич Я.Б. Тепловые насосы в системах малой энергетики / Я.Б. Данилевич, АН. Коваленко // Известия Российской академии наук. Энергетика. № 1. 2005, С. 63-69. 18. Дмитриев А.П. Термодинамические процессы в горных породах / А.П. Дмитриев, С.А. Гончаров – М Недра, 1990. – 360 с. 19. Добрынин В.М. Петрофизика / В.М. Добрынин, Б.Ю. Вендельштейн, Кожевников – М Недра, 1991. – 368 с. 20. Дортман Н.Б. Петрофизика / Том 1, - М Недра, 1992. – 286 с. 21. Исаченко В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, АС. Сукомел – М Энергоиздат, 1981. – 488 с. 22. Калинин А.Г. Разведочное бурение / А.Г. Калинин, О.В. Ошкордин, Н.В. Соловьев - М Недра, 2000. – 748 с. 23. Кардыш В.Г. Совершенствование и разработка бурового инструмента. / В.Г. Кардыш, И.Г. Никифоров, О.В. Смирнов. - Л ВИТР, 1986. – 221 с. 24. Кардыш В.Г. Техника и технология бурения с гидротранспортом / В.Г. Кардыш, АН. Пешков, A.B. Кузнецов- М Недра, 1993. – 253 с. 138 25. Кипко Э.Я. Глиноцементные тампонажные растворы в горном деле. - Днепропетровск Изд-во НГУ, 2007. – 191 с. 26. Киселев АТ. Новые технологии бурения гидрогеологических скважин с использованием двойных концентрических колонн и гидроударных машин. – М Геоинформмарк, 2002. – 278 с. 27. Кирсанов АН. Буровые машины и механизмы / АН. Кирсанов, В.П. Зиненко – М Недра, 1981. – 448 с. 28. |