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.
|
|
4.4 Уравнения для определения радиуса теплового влияния теплообменной скважины Для оценки радиуса теплового влияния скважины в [31] предложена формула , 2 4 2 D k с k D R п п (4.31) где D – диаметр скважины, м α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м 2 ·К); k τ – коэффициент нестационарности, Вт/(м 2 ·К); τ – время, с П – плотность горных пород, кг/м 3 ; с П – теплоемкость пород, Дж/(кг·К). Процессы теплопереноса в теплообменных скважинах и процессы массопереноса в гидрогеологических – схожи сточки зрения механизмов их протекания. Проектирование гидрогеологических скважин ведется, исходя из представляемых эксплуатационных параметров, таких как требуемый дебит в течение определенного промежутка времени, а также оценивается максимально возможное понижение. Затем, используя эти параметры, и свойства рассматриваемого водоносного горизонта водопроводимость, коэффициент фильтрации и пр, рассчитывают диаметр и длину фильтровой колонны, и, наконец, конструкцию всей скважины. К теплообменным скважинам предъявляются следующие эксплуатационные параметры эффективная разница температур при требуемом расходе теплоносителя в течение определенного промежутка времени. С учетом теплофизических свойств теплопроводности, температуропроводности и температуры массива горных пород, рассчитывается требуемое количество теплообменных скважина также их конструкция, те, прежде всего, диаметр и глубина. Ив теплообменных, ив гидрогеологических скважинах рассматриваются потоки, водном случае тепловой энергии, в другом – воды. Схожесть в подходах к рассмотрению процессов, протекающих в скважинах, позволяет провести физическую аналогию. Для определения радиуса теплового влияния на окружающий массив воспользуемся известной формулой Тейса (4.32) и проведем физическую аналогию [57]. , 25 2 ln 4 ln 4 2 2 2 r a kmS r R kmS Q (4.32) где Q – дебит скважины, м 3 /сут; k- коэффициент фильтрации, м/сут; m – мощность водоносного горизонтам падение напора, м r – радиус скважины, м R – радиус зоны питания, м a – пьезопроводность, м 2 /сут; τ – время, сут. В формуле коэффициент 4π указывает на радиальный характер притока, а знак натурального логарифма – на высокую роль около скважинной области в питании водой. В нашем случае речь идет о радиальном притоке тепла, а распределение температур экспоненциальное, как ив случае распространения депрессионной воронки. Введем в (4.32) следующие замены п, Вт/(м·К) – теплопроводность пород Q/m→q, Вт/м – удельная тепловая мощность S→∆t, К – температурный напор, равный разнице температуры стенки скважины и температуры потока теплоносителя а→а п , мс – температуропроводность R→R, м – радиус теплового влияния. Получаем формулу , 4 ln 4 п) откуда выражаем радиус теплового влияния п) Также, пользуясь полученными зависимостями можно определить действительный температурный напори температуру стенки теплообменной скважины в любой момент времени ; 4 ln 4 п) , 4 ln 4 2 2 D R q t t п ж C (4.36) где ж – температура теплоносителя на рассматриваемом интервале активного участка теплообменной скважины, К. Ранее поставлена задача по определению удельной тепловой мощности, получаемой на интервале активного участка теплообменной скважины, и введено дифференциальное уравнение (3.7). Поставленную задачу можно рассматривать как теплообмен, протекающий между жидкостью с постоянной температурой на рассматриваемом интервале и массивом горных пород с соответствующей им температуре на данной глубине через стенку, которая представлена горными породами, подвергшимися тепловому влиянию на момент рассмотрения процесса, допуская упрощение и пренебрегая теплообменом через стенку коллектора рисунок 4.3). Ширина стенки, через которую осуществляется теплообмен, непостоянна во времени и будут определяться следующим уравнением 0 R R L (4.37) Рассмотрим обе части уравнения (3.7). Левая часть ее описывает теплопередачу от горных пород к стенке, этот процесс можно описать следующим уравнением [21,37,58]: ln 2 1 0 R R t t q П C П (4.38) Рисунок 4.3 – Схема теплообмена между массивом горных породи теплообменной скважины на ее активном участке Правая часть уравнения (3.7) описывает процесс теплоотдачи от стенки, представленной частью породного массива, теплоносителю 2 Ж) Выразим температурные напоры в уравнениях (4.38) и (4.39): 2 ; ln 2 1 0 0 R q t t R R q t t Ж C П C П (4.40) Почленно сложим уравнения (3.40) и получим 2 1 ln 2 1 0 0 R R R q t t П Ж П (4.41) Выразим удельную тепловую мощность 2 1 ln 2 1 0 0 Ж П П t t R R R q (4.42) R 0 0 ж с П α r T П Введем обозначение 2 1 ln 2 1 1 П) Величина k L называется линейным коэффициентом теплопередачи и измеряется в Вт/(м·К). Он характеризует интенсивность передачи теплоты от среды горных пород среде теплоносителя через разделяющую их стенку. Значение k L численно равно количеству теплоты, которое проходит через стенку длиной 1 м в единицу времени от одной среды к другой при разности температур между ними 1 К. Общее количество тепловой мощности, переданной через цилиндрическую стенку на определенном участке длины теплообменной скважины равно , H t t k Q Ж П L (4.44) где H – длина интервала активного участка теплообменной скважины, м. Получено уравнение, которое устанавливает взаимосвязь между геометрическими параметрами теплообменного коллектора, свойствами и температурой теплоносителя (с помощью коэффициента α), конструктивными параметрами теплообменной скважины (глубины и диаметра, теплофизическими свойствами горных породи их температурой Выводы по главе 4 1. Теплообменная скважина при расчете температурного режима циркулирующего в ней теплоносителя, условно делится на два участка участок активного теплообмена, лежащий ниже глубины нейтрального слоя, и участок возможных тепловых потерь, расположенный на глубинах от уровня дневной поверхности до глубины нейтрального слоя, который считается теплоизолированным ив расчетах не учитывается. 2. Режим циркуляции теплоносителей в кольцевом пространстве коаксиального теплообменного коллектора является ламинарным, реже переходным (2000<Re<5000). Для возможного увеличения расхода теплоносителя рекомендуется применять специальные добавки высокомолекулярные полимерные добавки в малых концентрациях, способные сохранить ламинарный режим потока жидкости и увеличить диапазон чисел Рейнольдса. 3. Для учета фактора времени при изучении процесса теплообмена в теплообменной скважине введено понятие коэффициента нестационарности теплового потока, зависящего от теплоотдачи потока жидкости, теплофизических свойств горных породи, прежде всего, от длительности теплообмена. 4. Решение задачи теплообмена, поставленной во второй главе, позволило получить уравнения для расчета удельной тепловой мощности, получаемой см теплообменной скважины. Также было получено уравнение для расчета эффективной разницы температур потока теплоносителя, циркулирующего в коаксиальном коллекторе. Для учета потерь тепловой энергии во внутреннем канале коллектора введен поправочный коэффициент, линейно зависящий от глубины скважины, считая, что на каждые 10 м теряется не более 0,75% тепла. 5. Полученные уравнения включает в себя все основные параметры, которыми характеризуется теплообменная скважина конструктивные параметры диаметр и глубина 88 геометрические параметры теплообменного коллектора реологические, теплофизические параметры и температуру теплоносителя теплофизические параметры вмещающих горных пород время циркуляции теплоносителя и величина радиуса теплового влияния. 6. Пользуясь физической аналогией между процессами радиального водопритока в скважину и процессом теплообмена между массивом горных породи теплообменным коллектором, составлены уравнения, которые позволяют рассчитать радиус теплового влияния и текущую температуру стенки скважины, при условии, что одно из этого известно. ГЛАВА 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И СПОСОБА СООРУЖЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ СКВАЖИН Для подтверждения и уточнения уравнений, полученных в главе 4, и создания на их базе методики проектирования основных конструктивных элементов теплообменных скважин, были проведены экспериментальные исследования теплообмена на стенде, моделирующем работу интервала активного участка теплообменной скважины (рисунок 3.6). Также собран и обработан материал, полученный при натурных исследованиях, которые проводились на Исследовательском полигоне Остравского технического университета. 5.1 Подготовка к проведению эксперимента Экспериментальные исследования проводились на стенде, который расположен в лаборатории Технологии и техники бурения кафедры Бурения скважин. До проведения экспериментов проводились наблюдения за уровнем воды в скважине и температурой вмещающих пород. Уровень воды в скважине изменялся в процессе измерений, что говорит о наличии гидравлической связи с массивом вмещающих горных пород. Измерения представлены на графике (рисунок 5.1). 90 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 10 фев 20 фев 1 мар 11 мар 21 мар Дата У р о в ен ь воды, м Рисунок 5.1 – Колебания уровня воды в экспериментальной скважине Уровень воды в скважине установился на отметке примерном, его колебания составляли несколько сантиметров. Срок его восстановления до указанной отметки составил порядка 1 мес, таким образом, можно сделать вывод о том, что в процессе эксперимента гидравлическая связь скважинного пространства и массивом горных пород не внесет дополнительных тепловых потерь или, наоборот, не добавит тепловой энергии, так как длительность запланированных испытаний составляет 8 часов. После установления уровня воды в скважине, он был доведен до уровня дневной поверхности, и с помощью термометра-уровнемера производились измерения температуры в скважине. Поскольку на время измерения можно пренебречь перетоками воды, то измеренные значения можно считать естественной температурой вмещающего массива четвертичных отложений. Результаты измерения температуры представлены в таблице 5.1. Таблица 5.1 – Результаты измерения начальной температуры в экспериментальной скважине, С Дата и время измерения Глубина измерениям 23.03 11.00 20,9 18,0 16,3 15,3 14,6 14,2 26.03 11.00 20,9 18,2 16,4 15,3 14,5 14,3 29.03 11.00 20,8 17,9 16,4 15,3 14,5 14,2 Наибольшие колебания температуры отмечены на уровне дневной поверхности, что можно объяснить взаимодействием с окружающим воздухом помещения. Для дальнейших расчетов приняты усредненные значения температур, которые представлены на графике, изображенном на рисунке 5.2. 0 2 4 6 8 10 14 15 16 17 18 19 20 Температура, 0 С Г л у б и н а , м Рисунок 5.2 – Распределение температуры в экспериментальной скважине по ее глубине Особенности распределения температуры по глубине скважины отражают характер теплового взаимодействия приповерхностной части массива горных пород, ограниченного поверхностным строением и приповерхностными тепловыми источниками. Температура в скважине уменьшается от устья к забою, эта аномалия связана стем, что в трех метрах от скважины на глубине 2 м расположена теплотрасса, которая повышает общий температурный фон в верхних интервалах скважины. Этот факт требует его отражения при обработке результатов экспериментов, поэтому наиболее информативными предполагаются результаты, полученные с интервалов глубже 4 м. После проведения всех подготовительных работ и проверки оборудования началось проведение испытаний по исследованию теплообмена в скважине, оборудованной коаксиальным коллектором. 5.2 Ход проведения экспериментов и их результаты Проведена серия из пяти испытаний каждая длительностью 8 часов. Каждое следующее испытание проводилось после полного восстановления температуры в скважине до уровня, принятого за расчетный ранее. Одними из основных факторов, которые оказывают влияние на интенсивность теплообмена, являются скорость и режим течения теплоносителя в кольцевом канале коаксиального коллектора. Входе испытаний проводились измерения расхода теплоносителя с помощью расходомера СВК-15-3 крыльчатого типа, результаты которых для первого испытания представлены на графике рисунок 5.3). 13,00 13,50 14,00 14,50 15,00 0 2 4 6 Время, ч Р а сх о д , л /м и н Рисунок 5.3 – Результаты измерения расхода теплоносителя при первом испытании Колебания расхода теплоносителя вовремя проведения всех пяти испытаний незначительны, усреднив значения за все испытания, принято расчетное значение расхода, которое будет принято для последующей обработки и анализа 14 л/мин, что примерно равно 2,33·10 -4 мс. Учитывая геометрические параметры коаксиального коллектора и значение расхода теплоносителя, вычислено значение критерия Рейнольдса для потока в кольцевом канале, которое составило Re=2166, таким образом, режим течения теплоносителя в этом канале можно считать ламинарным. В течение первых двух часов температура на входе и выходе из циркуляционной системы измерялась каждые 5 мин, в скважине – каждые 10 мин. Затем, когда начинался установившийся режим теплообмена, значения температуры фиксировались через каждые 30 мин. Результаты измерений приведены в следующем виде измерения температуры на входе и выходе из скважины, а также разница этих значений представлены на рисунках 5.4…5.8, соответственно измерения температуры в кольцевом канале коаксиального коллектора представлены в таблицах 5.2…5.6. Входе испытаний были проведены измерения температуры вдоль сечений потока в кольцевом зазоре на глубинах замеров, однако, разница температур лежит в диапазоне погрешности измерений. Учитывая средний расход теплоносителя в скважине, равный 14 л/мин, и зная геометрические параметры экспериментальной скважины, рассчитаем время необходимое для полного цикла циркуляции. За время примерно равное 7,5 мин теплоноситель пройдет полный круг по коаксиальному теплообменному коллектору, таким образом, в начальный момент испытаний как минимум первые 7,5 мин режим теплообмена будет неустановившимся, поскольку из скважины будет вытесняться объем воды нагретый до испытания. Испытание №1. 2 3 4 5 6 0 100 200 300 400 Время, мин Т е м п е р а т у р а , Сна входе на выходе 2 3 4 5 0 100 200 300 400 Время, мин Т е м п ер а т у р а , 0 С Рисунок 5.4 – Результаты измерения температуры (испытание №1): а) температуры на входе и выходе из скважины б) эффективная разность температур Таблица 5.2 - Измерения температуры в экспериментальной скважине, С испытание №1) Время, мин Глубинам 2,7 3,5 3,9 4,2 4,9 28 2,1 2,8 3,0 3,5 3,7 4,0 38 2,1 2,6 2,9 3,2 3,4 3,8 48 2,1 2,4 2,8 3,0 3,2 3,4 58 2,1 2,4 2,6 3,3 3,4 3,5 68 2,1 2,5 2,7 3,0 3,2 3,5 78 2,2 2,4 2,6 2,7 3,0 3,4 88 2,3 2,5 2,7 2,9 3,1 3,4 98 2,4 2,6 2,7 2,9 3,1 3,3 108 2,4 2,7 2,7 3,0 3,2 3,5 118 2,7 3,0 3,1 3,3 3,4 3,5 148 2,6 3,1 3,3 3,6 3,7 3,8 178 2,7 3,0 3,5 3,6 3,7 3,8 208 2,5 3,0 3,3 3,5 3,6 3,7 238 2,4 3,1 3,3 3,6 3,6 3,7 268 2,4 3,0 3,3 3,4 3,5 3,7 298 2,3 3,1 3,4 3,5 3,6 3,8 328 2,4 3,0 3,4 3,5 3,6 3,7 358 2,3 3,1 3,3 3,4 3,5 3,7 388 2,5 2,9 3,2 3,3 3,4 3,6 418 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 3,9 448 3,1 3,3 3,5 3,6 3,8 3,9 478 3,2 3,5 3,8 3,9 4,0 4,1 а) б) Испытание №2. 2 3 4 5 6 0 100 200 300 400 Время, мин Т е м п е р а т у р а , Сна входе на выходе 2 3 4 5 0 100 200 300 400 Время, мин Т е м п е р а т у р а , 0 С Рисунок 5.5 – Результаты измерения температуры (испытание №2): а) температуры на входе и выходе из скважины б) эффективная разность температур Таблица 5.3 – Измерения температуры в экспериментальной скважине, С испытание №2) Время, мин Глубинам 3,7 4,5 5 5,3 5,5 28 2,9 3,8 4,1 4,8 4,9 5,1 38 2,8 3,9 3,9 4,1 4,4 4,6 48 2,7 3,3 3,6 4,1 4,4 4,6 58 2,7 3,3 3,5 4,0 4,1 4,3 68 2,7 3,3 3,5 4,0 4,3 4,4 78 2,8 3,1 3,4 3,9 4,1 4,3 88 2,7 3,3 3,4 3,7 4,1 4,3 98 2,6 3,2 3,4 3,9 4,0 4,2 108 2,6 3,1 3,3 3,7 3,9 4,1 118 2,5 3,1 3,3 3,6 3,8 4,0 148 2,7 3,2 3,3 3,6 3,7 3,8 178 2,7 3,1 3,5 3,6 3,7 3,9 208 2,4 3,1 3,2 3,5 3,7 3,8 238 2,4 3,0 3,3 3,4 3,5 3,8 268 2,4 3,0 3,2 3,5 3,6 3,7 298 2,6 3,0 3,4 3,5 3,6 3,8 328 2,4 3,0 3,2 3,5 3,6 3,7 358 2,4 3,0 3,3 3,5 3,4 3,6 388 2,5 2,9 3,2 3,3 3,4 3,5 418 2,9 3,2 3,5 3,7 3,8 3,9 448 3,0 3,3 3,5 3,7 3,8 3,9 478 3,2 3,7 3,8 4,0 4,0 4,1 а) б) Испытание №3. 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 0 100 200 300 400 Время, мин |