Розробка методу контактного термопроникнення в глибинні надра за допомогою технічних автономних засобів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут технічної теплофізики

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Розробка методу контактного термопроникнення в глибинні надра за допомогою технічних автономних засобів

Писаренко Тетяна Василівна

Київ - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на фізичному факультеті Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук Ващенко Володимир Миколайович Київський національний університет імені Тараса Шевченка, провідний науковий співробітник фізичного факультету

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Малкін Едуард Семенович Київський національний університет будівництва та архітектури, кафедра теплотехніки

доктор геолого-мінералогічних наук, професор Кутас Роман Іванович Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України зав. відділом геотермії та сучасної геодинаміки

Провідна установа: Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, м. Харків

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Кривошей Ф.О.

Аннотація

тепломасоперенос плавлення інженерний

Писаренко Т.В. Розробка методу контактного термопроникнення в глибинні надра за допомогою технічних автономних засобів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ, 2000 р.

Дисертація присвячена розробці та теоретичному обгрунтуванню можливості контактного термопроникнення в глибинні надра з допомогою автономного термозонду. Виконані теоретичні дослідження методу понадглибинного контактного термопроникнення свідчать про те, що практична можливість даного методу теоретично обґрунтовується з достатнім ступенем коректності. Здійснено постановку та розв'язання задачі оптимізації процесу термопроникнення, що дозволяє збільшити його ефективністіь завдяки оптимальному вибору форми поверхні термозонду. Розроблено методику розрахунку основних вихідних інженерних параметрів таких, як швидкість термопроникнення, товщина шару розплаву, розподіл температури та густини теплового потоку на робочій поверхні термозонду. Розглянутий метод контактного термопроникнення не має альтернативи серед існуючих методів буріння по швидкості та глибині проникнення в земні надра. Зроблено аналіз та вибір конструкційних матеріалів з точки зору їх придатності для створення термозонду , спроможного здійснити транскорове проникнення в земні надра. Розроблені в даній роботі метод контактного термопроникнення та основи інженерно-фізичної концепції автономного термозонду відкривають шляхи створення принципово нової глибинної техніки для досягнення понадглибиннних горизонтів. Області застосування такої техніки можуть бути різноманітними.

Ключові слова: понадглибинне термопроникнгення, термозонд, термобуріння, проплавлення, розплав, порода.

Аннотация

Писаренко Т.В. Разработка метода контактного термопроникновения в глубинные недра с помощью технических автономных средств. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 2000 г.

Диссертация посвящена разработке и теоретическому обоснованию возможности контактного термопроникновения в глубинные недра с помощью автономного термозонда. Выполненные теоретические исследования метода сверхглубокого контактного термопроникновения свидетельствуют о том, что возможность практической реализации этого метода теоретически обосновывается с достаточной степенью корректности. Выполнена постановка и решение задачи оптимизации процесса термопроникновения, что позволяет увеличить его эффективность благодаря оптимальному выбору формы поверхности термозонда. Разработана методика расчета основных исходных инженерных параметров, таких как скорость термопроникновения, толщина слоя расплава, распределение температуры и плотности теплового потока на рабочей поверхности термозонда. Рассмотренный метод термопроникновения не имеет альтернативы среди существующих методов бурения по скорости и глубине проникновения в земные недра. Выполнен анализ и выбор конструкционных материалов с точки зрения их пригодности для создания термозонда, способного выполнить транскоровое проникновение в земные недра. Разработанные в представленной работе метод контактного термопроникновения и основы инженерно-физической концепции автономного термозонда открывают пути создания принципиально новой глубинной техники для достижения сверхглубоких горизонтов. Области применения такой техники могут быть разнообразными.

Ключевые слова: сверхглубокое термопроникновение, термозонд, термобурение, расплав, проплавление, порода.

Annotation

Pysarenko T.V. Development of method of contact thermal penetration in deep bowels of the Earth by autonomous technical means. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.14.06 - engineering thermal physics and industrial heat power engineering. -The Institute of Engineering Thermal Physics of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 1999.

Dissertation is devoted to development and theoretical justification of contact thermal penetration possibility in deep bowels of the Earth by autonomous thermal probe. The carried out theoretical researches of the up-deep contact thermal penetration method demonstrates the possibility of putting this method into practice is quite grounded theoretically. It is formulated and solved the problem of the thermal penetration process optimisation, allowing to increase its effectiveness by optimal choice of thermal probe surface form. It is developed the procedure of main output engineering parameters determination, such as thermal penetration velocity, melt layer thickness, temperature and thermal flow density distribution on the thermal probe work surface. The examined method of thermal penetration doesn't have any alternative among existing methods of drilling with respect to velocity and penetration deepness in bowels of the Earth. It is carried out analysis and choice of design materials from the viewpoint of their suitability for development of the thermal probe capable to realise the over crust penetration in the Earth bowels. The developed in the presented work method of contact thermal penetration and basis of engineering and physical conception of autonomous thermal probe reveal the ways of realisation of principally new technique for reaching the up-deep horizons. The areas of such technique usage are quite different.

Key words: thermal drilling, up-deep thermal penetration, thermal probe, rock, melt, probe-melting.

1. Загальна характеристика роботи

На цей час інформація про склад та будову земної кори, яка потрібна для науково-дослідних та пошуково-розвідувальних робіт в астрофізиці, геофізиці, геології та екології, отримується, головним чином, непрямими методами. Єдиним безпосереднім контактним методом дослідження земних надр є глибоке буріння. Програми понадглибинного буріння в різних країнах світу спрямовані на з'ясування можливостей геофізичної і промислової розвідки, прогнозу та освоювання глибинних газонафтових і рудоносних родовищ. Аналіз науково-технічних результатів, отриманих при виконанні цих програм, свідчить, на жаль, про те, що науково-інформаційний потенціал, можливий при бурінні глибинних свердловин, не реалізовується в повній мірі, оскільки існуючі наукові прилади не здатні працювати в складних термобаричних умовах глибинних надр, дотого ж при хімічній агресивності оточуючого середовища (узагальненим терміном «оточуюче середовище» позначено як твердий, так і розплавлений стан порід, що складають земну кору). Навіть при наявності найсучаснішого бурильного обладнання проходження свердловини глибиною 15 км за експертними оцінками потребує близько 20-ти років і грошових вкладень в декілька сотень мільйонів доларів. При цьому для підвищення ефективності використання наукових даних, отриманих в процесі глибинного буріння, а також для підвищення їх якості необхідно буде створити нові промивочні високотемпературні розчини, надміцні і дуже легкі бурові труби, глибинні електромеханічні термостійкі механізми, а також якісно нові методи та засоби закріплення стовбурів свердловин. Проте в науковій літературі обговорюються проекти застосування глибинних бурових установок або автономних бурових пристроїв для досягнення глибин від 10 до 100 км [1]. На відміну від механічного або гідромеханічного, термічний метод буріння стає ефективнішим із зростанням температури на великих глибинах. Тому в майбутньому термічні методи буріння, а саме методи контактного проплавлення порід термобурами, отримають свій подальший розвиток.

Активний розвиток в гірничо-промисловій галузі термічні способи отримали починаючи з 50-х років. На цей час існують досить розвинуті технологія та техніка такого буріння. Проте характерна особливість термобуріння, а саме, використання тепла, застосовується лише для руйнування гірських порід. Причому супутній процес плавлення, який іноді виникає при термобурінні породи, розглядається як небажаний. Теорія такого традиційного методу термобуріння опирається, головним чином, на дослідження задач поширення тепла в твердому середовищі без зміни його агрегатного стану, та на фізичну залежність від температури пружних і міцностних властивостей порід.

Другий напрямок термобуріння, в якому плавлення породи є необхідною складовою процесу, отримав поширення, насамперед, завдяки науковим дослідженням мерзлих грунтів та чистого льоду [2, 3]. В цьому випадку проблема термобуріння вже формулюється як задача про тепломасоперенос в льодових товщах, який відбувається при переміщенні джерела тепла внаслідок зміни агрегатного стану середовища. Розробка термобурів для проплавлення твердих порід почалась в світі з 60-х років [2,4]. Їх інженерна концепція зводилась до використання електричного теплогенератора. При цьому виникли значні практичні труднощі при технічній реалізації системи передачі електроенергії до термобура на великі глибини в забій.

Метод контактного термоплавлення використується в багатьох прикладних задачах різних галузей промисловости. Отримання розплавів низькотеплопровідних речовин шляхом занурення термозонду (нагрівника) в масив, що плавиться, є значно ефективнішим в порівнянні із зовнішним поверхневим нагріванням.

Актуальність теми. Необхідність концентрації високої питомої потужності на забої свердловини призвела до ідеї використання пристрою - термозонду, який містить потужний малогабаритний автономний теплогенератор. Проте до цього часу детальні математичні, фізико-технічні та інженерні оцінки потенційних можливостей термобуріння з точки зору понадглибинного проникнення не були предметом самостійного дослідження. Була відсутня як сама постановка задачі, так і теоретичні основи відповідного методу понадглибинного контактного термопроникнення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати роботи одержані при виконанні держбюджетної теми «Пошукові дослідження можливості створення методів та засобів для контактного зондування надглибинних планетних надр», реєстр. № 0193 U 042003.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є теоретичне і фізико-технічне обгрунтування методу контактного термоплавлення низькотеплопровідних речовин та можливості здійснення з його допомогою проникнення в глибинні надра.

Для досягнення поставленої мети були вирішені такі задачі:

- досліджені процеси тепломасопереносу при контактному плавленні в навколозондовій області внаслідок руху джерела тепла довільної форми;

- розроблена методика та за її допомогою виконані оцінки основних інженерних параметрів контактного термопроникнення в низькотеплопровідних середовищах;

- виконано аналіз сучасних високотемпературних конструкційних матеріалів та елементної бази для створення автономного понадглибинного термозонду;

- досліджено питання екологічної безпеки оточуючого середовища внаслідок можливої аварійної розгерметизації ядерного термоджерела.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше здійснено математичну постановку задачі понадглибинного контактного термопроникнення шляхом проплавлення оточуючого середовища внаслідок руху в ньому під дією гравітації джерела тепла довільної форми та вироблено підхід до її розв'язання.

2. Сформульована та розв'язана задача оптимізації процесу контактного термопроникнення.

3. Вперше розроблена методика оцінки значень основних інженерних параметрів контактного термоплавлення низькотеплопровідних речовин.

4. Розроблені основи інженерно-технічної концепції автономного термозонду як засобу для понадглибинного проникнення в надра Землі.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність роботи полягає в тому, що одержані у ній результати можуть використовуваться на стадії інженерно-конструкторської розробки техніки, призначеної для понадглибинного проникнення, а також для здійснення розрахунків технологічних установок та процесів, в яких застосовується термоконтактне плавлення низькотеплопровідних матеріалів.

Отриманий алгоритм оцінки основних інженерних параметрів термоконтактного проплавлення, а також математична модель міграції радіонуклідів в водоносному шарі ґрунту та в породах земної кори можуть застосовуватись при розв'язанні прикладних задач іншого характеру, наприклад, при створенні глибинних підземних резервуарів для захоронення радіоактивних або інших шкідливих відходів.

Розроблена в дисертаційній роботі методика використана для оцінки основних інженерних параметрів термоконтактного плавлення технічного вазеліну установкою «Термобат-4,5», яку розроблено та створено в ІТТФ НАН України. Результати досліджень можуть бути корисними при визначенні технічних вимог до основних вузлів установок аналогічного призначення на стадії їхньої інженерно-конструкторської розробки.

За результатами досліджень отримано позитивне рішення на винахід «Автономний понадглибинний термозонд» (реєстр. № 98041941 / 19(908)).

Особистий внесок здобувача. Автор є відповідальним виконавцем всіх досліджень, які ввійшли в дисертацію, самостійно сформулювала математичну модель та розробила алгоритми розрахунків. В співавторстві була сформульована матфізична постановка задачі, добиралися пакети прикладних програм, оброблялись та обговорювались результати розрахунків.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень, що включені до дисертації, доповідались на:

наукових конференціях Київського університету імені Тараса Шевченка, 1992, 1993;

науково-практичній конференції «Наукомісткі технології подвійного призначення», Київ, 1994;

VI конференції країн СНД «Проблеми екології та експлуатації об'єктів енергетики», Севастополь,1996;

III Міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні технології в аерокосмічному комплексі», Житомир,1997.

VIІІ конференції країн СНД «Проблеми екології та експлуатації об'єктів енергетики», Севастополь,1998;

науково-теоретичній конференції «Київський університет як осередок національної духовності, науки, культури», присвяченій 165-річчю Київського університету імені Тараса Шевченка, Київ, 1999.

Публікациї. За темою дисертації опубліковано 12 наукових праць.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, шости розділів, висновків, списку використаних джерел та додатку, викладена на 164 друкованих сторінках, містить 15 рисунків (13 с.), 14 таблиць (12 с.), бібліографічний список з 164 першоджерел та 1 додаток (2 с.).

2. Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульовані мета, новизна і результати, які виносяться на захист.

Перший розділ містить огляд сучасного стану проблеми понадглибинного контактного термопроникнення, який свідчить про те, що термобуріння, як один з поширених традиційних методів буріння, має досить розвинуту наукову та технологічну базу. На відміну від інших традиційних методів буріння, термобуріння зі зростанням температури в надрах на великих глибинах стає ефективнішим. Проте процес проплавлення гірських порід, який іноді був супутній термобурінню, майже в кожному з таких випадків розглядався як небажаний. Широке застосування термобуріння шляхом контактного проплавлення оточуючого середовища почалось з наукових досліджень льодових товщ Арктики та Антарктиди. Цей процес характеризується появою теорій тепломасопереносу в льоді зі зміною його агрегатного стану внаслідок руху джерела тепла та розробкою спеціальних пристроїв [5]. Проте відзначається, що інженерна концепція традиційних теплових джерел, яка зводиться до електричного теплогенератора, не дозволяє здійснити понадглибинне проникнення внаслідок складних термоборичних умов в глибинних надрах, а також внаслідок великих втрат електроенергії при її передачі до забою.

Далі, виходячи з сучасного стану досліджуваної проблеми, формулюються задачі, які розв'язуються в даній роботі з метою теоретичного та фізико-технічного обгрунтування можливості реалізації понадглибинного контактного термопроникнення за допомогою автономного термозонду.

У другому розділі формулюється задача про тепломасоперенос в шарі розплаву та в твердій породі під час руху джерела тепла в полі земного тяжіння внаслідок проплавлення оточуючого середовища. Раніше уже розроблялись теорії точкового, лінійного та плоского джерел тепла, які рухаються в твердому тілі без зміни його агрегатного стану [5, 6]. Але задача з урахуванням фазового переходу в середовищи для джерел тепла кінцевих розмірів довільної форми, які рухаються, раніше не розв'язувалась.

З цією метою в даному розділі розглянуто систему «термозонд-розплав-порода», яка складається з термозонду - автономного пристрою, що містить потужне термоджерело, і масива, який плавиться (рис.1). Теплову та механічну взаємодію елементів даної системи здійснює шар розплаву, що рухається. При цьому занурення термозонду в надра вздовж гравітаційної вертикалі обумовлено силою ваги. В даній роботі процеси в навколозондовій області розглядаються в обсязі, який є необхідним для визначення швидкості занурення термозонду та основних теплофізичних характеристик системи «термозонд-розплав-порода».

Створення математичної моделі досліджуваної системи стає можливим при таких обмеженнях:

1) область двофазної перехідної зони, ширина якої обернено пропорційна потужньому тепловому потоку, що до неї підводиться, з великим ступенем точності можна вважати достатньо гладкою поверхнею;

2) процеси тепломасопереносу, які розглядаються в рухомій системі координат, що зв'язана з термозондом, можна вважати квазістаціонарними в силу малої товщини шару розплаву та швидкого згасання температурних збурень в породі [4, 7].

Приняття постулату про квазістаціонарність дозволяє вважати, що, по-перше, шар розплаву є постійним по формі і розмірам і, по-друге, граничні значення для поля швидкостей розплаву і температурних полів в розплаві та в породі не змінюються з часом.

При введених обмеженнях задача про рух термозонду під дією сили ваги в твердих породах внаслідок їх проплавлення зводиться до розглядання процесу поширення тепла від термозонду через розплав до породи для ії прогрівання з подальшим плавленням і до гідродинамічної задачі про перетікання розплаву від лобової частини термозонду в напрямку протилежному його руху. Необхідність розглядання сукупності двох аспектів задачі - теплофізичного та гідродинамічного, обумовлена наявністю загального параметру, а саме, швидкості руху термозонду. Самоузгодженість цих процесів в усталеному режимі дає можливість вважати, що швидкість термопроникнення дорівнює швидкості переміщення поверхні фазового переходу, тобто швидкості проплавлення породи.

Нова математична модель теплофізичних та гідродинамічних процесів системи «термозонд-розплав-порода» являє собою систему стаціонарних диференціальних рівнянь в часткових похідних (1)-(5):

, (1)

(2)

, (3)

, (4)

(5)

з відповідними граничними умовами:

(6)

Зазначимо, що величини з індексом «з» відносяться до термозонду, з індексом «р» - до шару розплава, без індексу - до твердої породи.

Розв'язання цієї системи дозволяє отримати будь-які параметри досліджуваних процесів. Проте головною трудністю, яка заважає отриманню розв'язку даної задачі при спробі застосувати наближенні методи інтегрування при машинних розрахунках, є неозначеність (незаданість) поверхні плавлення. Отримані іншими авторами експериментальні та оціночні теоретичні дані традиційного термобуріння [3, 4], дають загальну уяву про наявність такої характерної особливості процесу контактного термопроникнення, як мала товщина шару розплаву, відношення якої до характерних розмірів навколозондової області складає величину порядку 10-310-4. Але для сформульованої нами задачі, з урахуванням умов понадглибинних горизонтів, конкретних реально можливих габаритно-масових та потужностних характеристик термозонду, цей факт потребує ретельного дослідження і буде розглянутий в розділі 4. Проте прийняття його як робочу гипотезу дає можливість з досить великим ступенем точності визначити граничні поверхні та граничні умови. Наведені пропозиції по алгоритму розв'язання даної задачі.

Якісне дослідження профілю швидкостей розплаву дозволили виконати наближене інтегрування рівнянь поширення тепла в розплаві та в породі шляхом зведення об'ємних інтегралів до інтегралів по граничним поверхням. В результаті одержано умову теплового балансу в навколозондовій області для густини теплового потоку , який надходить з робочої поверхні термозонду:

, (7)

яка є зручною для якісного аналізу досліджуваних процесів, а також є вихідною для визначення основних характеристик.

У третьому розділі розглядається питання ефективності процесу контактного термопроникнення, головними показниками якої є швидкість та коефіцієнт корисної дії - ККД. В даній роботі ККД формулюється як відношення теплового потоку, який витрачається на прогрів породи в лобовій зоні до температури плавлення та безпосередньо на процес плавлення, до всього теплового потоку, який надходить з поверхні термозонду. Використання співвідношення (7) для густини вихідного теплового потоку дозволило здійснити якісний аналіз залежності ККД від параметрів досліджуваної системи та намітити шляхи щодо його збільшення:

(8)

де S* - частина поверхні фазового переходу, що відповідає лобовій зоні,

- кут між напрямком руху та нормаллю до поверхні фазового переходу.

Отриманий вираз (8) свідчить про те, що ККД зменшується із зростанням температурного режиму робочої поверхні термозонду Тз, а також залежить від форми робочої поверхні термозонду, форми поверхні плавлення та швидкості термопроникнення.

В даному розділі формулюється одна з найважливіших задач математичної теорії тепломасопереносу - задача оптимізації процесу термопроникнення, а саме - вибір такої оптимальної форми поверхні термозонду, при якій досягається максимальна швидкість термопроникнення. Шляхом наближеного інтегрування рівняннь гідродинамічних процесів одержано аналітичну залежність значення швидкості термопроникнення від параметрів системи «термозонд-розплав-порода»:

, (9)

де - модуль прискорення вільного падіння; -температуропровідність розплаву; Р- тиск в шарі розплаву; -середнє значення кінематичної в'язкості розплаву; - так звані інтегральні коефіцієнти форми.

Співвідношення (9) дає можливість визначити оптимальні значення ціх коефіцієнтів, тобто форму зовнішньої поверхні термозонду, форму поверхні фазового переходу, а також їх розташування відносно напрямку руху, які забезпечують максимальну швидкість термобуріння шляхом контактного проплавленя оточуючих порід.

Оцінку швидкості термопроникнення розглянуто для таких випадків:

- поверхня термозонду та поверхня фазового переходу мають повну симетрію;

- поверхня термозонду має повну симетрію, а поверхня фазового переходу - осьову;

- поверхня термозонду має осьову симетрію, а поверхня фазового переходу - повну.

На прикладах сферичного та циліндричного термозондів з допомогою запропонованого методу здійснено оцінку швидкостей термопроникнення та виконано їх порівняльний аналіз. Зроблено висновок про оптимальність форми сферичного термозонду, а також необхідність забезпечення такого розподілу густини теплового потоку на його робочій поверхні, при якому досягається максимальна наближеність форми поверхні плавлення до зовнішньої поверхні термозонду.

У четвертому розділі розроблено методику оцінок основних вихідних інженерних параметрів процесу контактного термопроникнення, яке здійснюється за допомогою реально можливого з точки зору габаритно-масових характеристик автономного термозонду. Як модель для розрахунків обрано циліндричний термозонд, в якому робочою або гріючою поверхнею є бічна поверхня циліндричного термозонду та його нижній торець. Такими основними параметрами є: швидкість термопроникнення u; товщина шару розплаву на лобовій поверхні термозонду h; максимальна товщина розплаву бічної зони rкр; розподіл температури та густини теплового потоку на робочії поверхні термозонду; оцінки необхідної потужності термоджерела та ККД процесу контактного термопроникнення. Одержано алгоритм розрахунків оцінок вихідних інженерних параметрів контактного термопроникнення:

1. Вибір оптимальної температури робочої поверхні термозонду Т0, визначення температурного перепаду в шарі розплаву

Оцінка швидкості термопроникнення

а) для гірської породи: б) для льоду:

(10)

де .

3. Оцінка товщини шару розплаву на лобовій поверхні термозонду

а) для гірської породи: б) для льоду:

; . (11)

4. Оцінка максимальної товщини термоканалу бічної зони:

. (12)

5. Оцінка теплової потужності термозонду:

(13)

де .

Визначення ККД процесу контактного термопроникнення:

. (14)

Розрахунки параметрів виконані для циліндричного термозонду, маса якого дорівнює 50103 кг, радіус і висота - 1м, на прикладі двох речовин - гірської породи типу базальт та льоду, які належать до різних класів по їх теплофізичним характеристикам та можуть мати практичне застосування. Отримані оцінки свідчать про те, що метод понадглибинного контактного термопроникнення не має суперечностей для його реалізації з інженерно-фізичної точкі зору.

Розроблений алгоритм використано для оцінки основних інженерних параметрів контактного термоплавлення технічного вазеліну установкою «Термобат-4,5». Співставлення розрахованих і експериментальних даних свідчить про досить високий рівень точності та ефективності алгорітму.

П'ятий розділ присвячений аналізу сучасних термостійких кострукційних матеріалів. Реалізація методу контактного термопроникнення в понадглибинні надра за допомогою автономного термозонду потребує ретельного розгляду специфічних вимог з точки зору методу термопроникнення до властивостей конструкційних матеріалів. Ці вимоги пов'язані з впливом складних термобаричних умов роботи термозонду в глибинних надрах, хімічної агресивності розплавлених оточуючих порід і використанням ядерного пального. Перелік розглянутих особливостей включає: термостійкість, механічну міцність, хімічну та радіаційну стійкість, електро- та теплопровідність, технологічні особливості механічної обробки конструкційних матеріалів.

Виходячи із зіставлення вимог до матеріалів термозонду, з одного боку, і властивостей існуючих тугоплавких матеріалів, з іншого боку, установлено, що для створення термозонду допустимі матеріали двох класів - карбідна і нітридна кераміки. З точки зору використання для зовнішньої оболонки тугоплавкі метали, їх сплави і сполуки з вуглецем, азотом, бором, кремнієм повинні бути виключені, як такі, що не задовольняють критерію хімічної стійкості, оскільки мають слабку стійкість проти окислення. Але в умовах інертного середовища вони можуть використовуватись як конструкційні матеріали для внутрішніх вузлів, схем та пристроїв.

Основною різницею властивостей карбідної і нітридної кераміки є величина електропровідності цих матеріалів. Нітридокремнієві матеріали за електричними властивостями відносяться до діелектриків, а карбідокремнієві - до напівпровідників. В зв'язку з цим, обидва класи цих матеріалів слід використовувати як конструкційні матеріали термозонду різного призначення, а саме: карбідокремнієву кераміку - як матеріал тепловиділяючих елементів, а нітридокремнієву кераміку - як електроізоляційний прошарок всередині конструкції і захисного шару корпусу термозонду. Доцільність останнього визначається тим, що нітридокремнієві матеріали мають дещо більш високу міцність і хімічну стійкість в порівнянні з кремнеземом і карбідною керамікою.

Напівпровідникова природа карбідної кераміки та деяких металевих сполук і, крім того, значна залежність їх електричних властивостей від температури можуть бути ефективно використані при розробці та виготовленні важливих внутрішніх елементів термозонду - контрольних та керувальних датчиків, працюючих на основі принципу бар'єрних реакцій. Оскільки карбідна і нітридна кераміки широко використовуються в електротермічній техніці та існує багато різновидів цих матеріалів, тому при їх застосуванні для виготовлення конструкції термозонду можна ефективно використовувати досить розвинуту технологію їх виробництва.

Поряд з керамічними матеріалами для створення лабораторних моделей зондів і проведення дослідницьких випробувань можуть бути використані графітові матеріали. Будучи доступними і відносно дешевими, вони поступаються перед керамікою лише за хімічною стійкістю і механічною міцністю.

У шостому розділі наводиться обгрунтування можливості на фізико-технічному рівні створення засобу для понадглибинного термопроникнення. Реалізація методу термічного проникнення на глибинні горизонти земних надр потребує принципово нової техніки, яка була б спроможна працювати при високих температурах та тисках і, крім того, мати високу хімічну і радіаційну стійкість. Для роботи в таких умовах пропонується використовувати автономний понадглибинний термобур, який можна назвати термозондом або геозондом.

Згідно проведеним розрахункам на міцність оптимальна конструкція такого термозонду повинна являти собою сферичний корпус, оболонку якого (1) виконано з тугоплавких кострукційних матеріалів. Всередині оболонки радіально розташовуються тепловиділяючі елементи (2), потужність і кількість яких визначається енергоємністю запланованого експерименту. Сферична форма корпусу, по-перше, забезпечує максимальну механічну міцність конструкції, по-друге, дозволяє ефективно регулювати і перерозподіляти температурний режим усередині та на поверхні термозонду, що створює можливість для його маневрування відносно гравітаційної вертикалі. Нарешті, сферична конструкція є оптимальною з точки зору отримання максимальної швидкості занурення термозонду. Перерозподіл тепла від твелів (2) до заданих ділянок робочої поверхні здійснюється за допомогою теплоконтактних елементів (9). Для вирішення задачі контролю та передачи інформації про внутрішний стан термозонду на його сферичній поверхні та всередині конструкції розташовуються контрольні (4) та керуючі (5) датчики, які можуть працювати, насамперед, по принципу бар'єрних реакцій на тиск, температуру, густину розплаву, швидкість проникнення, хімічний склад порід. Інформація про теплові режими твелів та оточуючих порід передається від датчиків за допомогою бортових телеметричних пристроїв (7) до наземного пункту спостереження і управління роботою та технічним станом термозонду. Керуюча інформація надходить до бортових систем управління теплогенератором та допоміжними системами (3), які розташовані усередині термозонду. Ці системи за допомогою ланцюга управління режимами роботи твелів (6) дозволяють регулювати потужність теплогенератора і перерозподіляти температуру на його робочій поверхні. Принцип роботи даних систем та пристроїв повинен мати механічну, термомеханічну, термоелектричну або електромеханічну основу, тому що використання елементів електроніки в чистому вигляді сильно обмежено високими температурами усередині і зовні термозонду.

Для вирішення задачі збору зовнішніх даних термозонд повинен мати пристрої (8) для експрес-аналізу оточуючих порід, для відбору проб та їх бортового експрес-аналізу. Робота таких аналізаторів може бути побудована на використанні хімічних та фізико-хімічних реагентів на відповідні характерні властивості оточуючого масиву, який плавиться.

Для відхилення траєкторії руху термозонду від гравітаційної нормалі та для реалізації горизонтальної проходки в льодових масивах або в мерзлих породах термозонд може містить двигун, який використовує теплову енергію аба енергію перегрітої пари.

Аналіз структурного складу термозонду, взаємодії його елементів, систем та підсистем свідчить про можливість його реалізації на інженерно-фізичному рівні. Всі основні конструкційні елементи термозонду досить добре розроблені і широко використовуються в різноманітних галузях науки та техніки. Проте можливість їх застосування в складних умовах роботи термозонду потребує додаткового дослідження можливості та підходу до їх використання.

Фізико-технічна концепція термозонду на функціональному рівні може бути побудована по трьохрівневому принципу, що дозволяє забезпечити його роботу в будь-якому режимі - пасивному, активному або інтерактивному.

Необхідність передачи службових і вимірювальних даних та керувальних команд приводить до проблеми зв'язку між термозондом та наземним пунктом спостереження. На сьогодні ця проблема вирішується на фізичному рівні, проте її технічна реалізація - питання великої складності. Як можливу модель такого зв'язку пропонується використовувати квазістаціонарне магнітне поле. Виконані попередні оцінки основних характеристик можливого джерела таких полів свідчать про необхідність пошуків або створення нетрадиційних джерел сильного постійного електричного струму.

Характерною рисою процесу контактного термопроникнення в глибинні надра є концентрація великої теплової потужності на забої на протязі досить тривалого часу. Можливим розв'язком проблеми теплогенератора для такого процесу є використання малогабаритного ядерного реактора на швидких нейтронах [8]. Виходячи з енергоємності та тривалості експерименту транскорового проникнення, отримано оцінку необхідної кількості ядерного пального, яка в залежності від значення коефіцієнта вигоряння знаходиться в межах від 125 до 600 кг урану-235.

Використання ядерного пального вимагає ретельного дослідження питання екологічної безпеки оточуючого середовища внаслідок можливого аварійного пошкодження та розгерметизації ядерного термоджерела. В даному розділі розроблено математичну модель міграції радіонуклідів у водоносному шарі грунту та в гірських породах. Виконані розрахунки з використанням методу кінцевих різниць та результати експериментальних даних свідчать про те, що при дотриманні певних умов роботи термозонду екологічно небезпечного забруднення радіоактивними речовинами оточуючого середовища не відбувається.

У висновках сформульовані основні результати дисертації та викладені перспективи використання методу понадглибинного контактного термопроникнення.

Загальні висновки

1. Здійснено теоретичну постановку задачі контактного термопроникнення. Отримано її математичну модель, яка являє собою систему диференціальних рівнянь в часткових похідних, що описують процеси тепломасопереносу в навколозондовій області, з відповідними граничними умовами. Виконані теоретичні дослідження методу понадглибинного контактного термопроникнення свідчать про те, що практична можливість даного методу теоретично обґрунтовується з достатнім ступенем коректності. Розроблений в даній роботі підхід до розв'язання задачі тепломасопереносу при контактному проплавленні порід і матеріалів дозволяє отримати попередні оцінки та висновки для розробки вихідних даних, необхідних на стадії ескізної інженерно-конструкторської розробки автономного термозонду або установок, призначених для плавлення низькотеплопровідних речовин.

2. Завдяки постановці та розв'язанню задачі оптимізації процесу термопроникнення пропонуються шляхи збільшення його ефективності, а саме, вибір такої форми поверхні термозонду, при заданій його потужності, при якій ККД та швидкість термопроникнення досягають максимальних значень.

3. Для існуючих сучасних малогабаритних хімічних або ядерних джерел тепла з врахуванням реально можливих їх габаритно-масових характеристик, розроблено методику оцінки значень основних інженерних параметрів, таких як: швидкість термопроникнення, товщина шару розплаву, розподіл температури та густини теплового потоку на робочій поверхні термозонду, оцінка потужності термозонду та ККД процесу контактного термопроникнення. Отримана оцінка швидкості термопроникнення в гірських породах з врахуванням термоміцностних можливостей конструкційних матеріалів знаходиться в межах 0.50.7 м/год, що значно перевищує фактичну швидкість проходження свердловин на великих глибинах традиційними механічними методами. Розглянутий метод контактного термопроникнення не має альтернативи серед існуючих методів буріння по швидкості та глибині проникнення в земні надра.

4. Аналіз та вибір конструкційних матеріалів з точки зору їх термостійкості, механічної міцності, хімічної та радіаційної стійкості свідчить про те, що на теперішній час існують матеріали, які роблять можливим створення термозонду та спеціальних пристроїв, здатних працювати при температурах до 1600С та тисках до 10000 бар. З допомогою такого термозонду стає можливим транскорове проникнення в земні надра, задачі якого можуть бути різноманітними.

5. Розроблені в даній роботі основи інженерно-технічної концепції автономного термозонду свідчать про практичну можливість створення засобу для понадглибинного проникнення в надра Землі. Використання ядерного пального для енергозабезпечення автономного термозонду вимагало ретельного дослідження екологічної проблеми, яка пов'язана з радіаційним забрудненням оточуючого середовища в випадку можливої аварії термозонду. В роботі вперше розроблено модель міграції радіонуклідів в водоносному шарі ґрунту. Виконані розрахунки свідчать про те, що при дотриманні певних умов роботи термозонду екологічно небезпечного радіаційного забруднення оточуючого середовища не відбувається.

Таким чином, розроблені в даній роботі метод контактного термопроникнення та основи інженерно-фізичної концепції автономного термозонду для здійснення проникнення в глибинні надра відкривають шляхи створення принципово нової техніки, області застосування якої можуть бути різноманітними:

- отримання розплавів низькотеплопровідних речовин;

- отримання нових геологічних, геофізичних та астрофізичних даних про склад та будову земної кори;

- розвідка та промислове видобування глибинних корисних копалин і енергосировини, в тому числі вуглеводнів в серпентинизованому шарі Землі;

- геотехнічна розробка газогідратних родовищ;

- проходка тунелів та шахт в льодових товщах Антарктики;

- проведення глибинних експериментів в сейсмічних і вулканічних зонах та в районах осередків землетрусів з метою їх упередження та розвантаження;

- проведення принципово нових екологічних експериментів.

Список публікацій за темою дисертації

Ващенко В.М., Писаренко Т.В. Про можливості контактного понадглибинного проникнення // Вісник Київського університету. Сер. ф.-м. наук. - 1995.- №1. - С. 326-336.

Ващенко В.М., Мистецький Г.Ю., Писаренко Т.В. Проблеми радіаційної екологічної безпеки внаслідок міграції радіонуклідів в водоносному шарі грунту // Вісник Київського університету. Сер. ф.-м. наук. - 1996. - №1. - С. 388-401.

Ващенко В.М., Писаренко Т.В. Проблеми вибору конструкційних матеріалів для понадглибинних термозондів // Вісник Київського університету. Сер. ф.-м. наук.- 1998. - № 1. - С. 318-330.

Грабов Л.Н., Мерщий В.И., Ващенко В.Н., Писаренко Т.В. Оптимизация термоконтактного плавления материалов // Промышленная теплотехника.- 2000. - № 1. - С. 94-99.

Заявка на винахід, МКИ Е 21 В 7/14. Автономний понадглибинний термозонд / Ващенко В.М., Писаренко Т.В.- №98041941 / 19(908); Заявлено -16.04.98. Дата рішення про видачу патенту - 23.09.99.

Ващенко В.М., Писаренко Т.В. Про можливості створення понадглибинного геозонду // Тези доп. наук.-практичній конф. «Наукомісткі технології подвійного призначення».- Київ, 1994.- С. 203-204.

Ващенко В.Н., Писаренко Т.В. Экологические проблемы, связанные с глубинной добычей энергоресурсов // Тезисы докл. VI конф. стран СНГ «Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики». - Севастополь, 1996. - С. 76-77.

Ващенко В.Н., Писаренко Т.В Проблемы и техника контактного проникновения в глубинные недра космических объектов // Матеріали ІІІ Міжнародної науково - практичної конф. « Сучасні технології в аерокосмічному комплексі ». - Житомир: ЖІТІ. - 1997.- Т.ІІІ.- С. 21-22.

Ващенко В.М., Писаренко Т.В. Проблеми експлуатації термозонду для розвідки глибинних енергоресурсів - нафти та газу // Тез. докл. VІІІ конф. стран СНГ «Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики ». - Севастополь, 1998.- С. 78-80.

Ващенко В.Н., Писаренко Т.В., Ярмоленко В.К. Проблемы разведки нетрадиционных источников углеводородов в серпентинизированном слое континентальной коры // Тезисы докл. VІІІ конф. стран СНГ «Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики ». - Севастополь, 1998. - С. 68-70.

Писаренко Т.В. Оптимізація процесу контактного термопроникнення в глибинні надра // Тезисы докл. VІІІ конф. стран СНГ « Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики ». - Севастополь, 1998. - С. 75-77.

Ващенко В.М., Писаренко Т.В. Фізико-техничні проблеми понадглибинного контактного термопроникнення // Матеріали науково-теоретичної конф. «Київський університет як осередок національної духовності, науки, культури». - Киів, 1999. - С. 41-43.

Дробышевский Э.М. Проект Калисто // ЭИ АН СССР. - 1989. - № 2-89. - 22 с.

Зотиков И.А. Теплофизика ледниковых покровов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 287 с.

Кудряшов Б.Б., Яковлев А.М. Новая технология бурения скважин в мерзлых породах. - Л.:Недра, 1973. - 168 с.

Тепломассоперенос при контактном плавлении (Применительно к условиям теплового бурения) /Чистяков В.К., Саламатин А.Н., Фомин С.А., Чугунов В.А. - Казань: Изд-во Казанского ун-та, 1984. - 176 с.

Shreve R.L. Theory of Performance of Isothermal Solid-Nose Hot-Points Boring in Temperate Ice // J. of Glaciology. - 1962. - V. 4, № 32. - P. 151-160.

Rosenthal D. The Theory of Moving Sources of Heat and Its Application to Metal Treatments // Trans. ASME. - 1946. -V. 68, № 8. - P. 849 - 866.

Пехович А.А., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. - Л.: Энергия, 1976. - 352 с.

Пат. 3115194 США, МКИ Е 21 В 7/14. Nuclear Reactor Apparatus for Earth Penetration / Adams W.M. (США); №173313; Заявл. 14.02.1962; Опубл. 24.12.1963; НКИ 175/11. - 5 с.

Размещено на Allbest.ru

...