Главная Коллекция "Revolution" Физика и энергетика Теплофізичні процеси при формуванні та використанні геотермальних ресурсів

Теплофізичні процеси при формуванні та використанні геотермальних ресурсів

Розробка фізичної моделі процесу формування геотермальної аномалії на території Кримського півострова. Характеристика теплофiзичних моделей для дослідження процесів теплопровідності та розрахунку профільних температурних полів теплової аномалії.

Рубрика Физика и энергетика
Вид автореферат
Язык украинский
Дата добавления 29.09.2015
Размер файла 92,5 K
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

УДК 620.9:662.92; 658.264

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Теплофізичні процеси при формуванні та використанні геотермальних ресурсів

Спеціальність 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Разаков Ахмед Тагірович

Київ 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики, Національна академія наук України.

Науковий консультант: д.т.н., провідний науковий співробітник Шурчков Анатолій Васильович, Інститут нетрадиційної та відновлюваної енергетики НАН України.

Офіційні опоненти:

член.-кор. НАН України, д.т.н. Рєзцов Віктор Федорович, Інститут нетрадиційної та відновлюваної енергетики НАН України, заступник директора;

д.т.н., професор Накорчевський Альфред Іванович, Інститут технічної теплофізики НАН України, провідний науковий співробітник;

д.т.н., професор Рабінович Михайло Давидович, Проблемний інститут нетрадиційних енерготехнологій та інжинірингу.

Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ”, теплоенергетичний факультет, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться 26.06.2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 в Інституті технічної теплофізики, 03057, м. Київ, вул.. Желябова, 2-а.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту технічної теплофізики, 03057, м. Київ, вул.. Желябова, 2-а.

Автореферат розісланий 44.05.2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.І.Чайка.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Енергетика України базується на використанні органічного палива й атомної енергії. Частка органічного палива в сумарному споживанні первинних енергоресурсів становить більше ніж 70%. Дефіцит паливно-енергетичних ресурсів приводить до необхідності імпортувати значну кількість вугілля, нафти й газу.

Але саме паливно-енергетичний комплекс є основним джерелом шкідливого впливу на навколишнє середовище. Більша половина всіх викидів, що забруднюють повітряний басейн, земельні угіддя й водний басейн, це викиди від підприємств паливно-енергетичного комплексу. У багатьох регіонах рівень негативного антропогенного впливу на навколишнє середовище вже перевищив критичний поріг, за яким в природному середовищі відбуваються неприпустимі зміни, що загрожують життю людини.

У зв'язку з цим зміна структури паливно-енергетичного балансу України має важливе політичне та народногосподарське значення.

Сонячне випромінювання й геотермальна енергія є нетрадиційними джерелами енергії, які в великих масштабах можна використовувати для надійного, екологічно чистого постачання теплотою й електроенергією в умовах України.

Комітетом з геології та використання надр України розвідані й визначені потенційні експлуатаційні запаси термальних вод, що залягають на глибині до 3000 метрів у кількості 27303 тис. м3/добу. Використання їх може забезпечити роботу систем геотермального теплопостачання сумарною потужністю 50 тис. МВт. Геотермальна енергія на сьогодні є найбільш перспективною й підготовленою для практичного освоєння.

Використання геотермальної енергії для опалення, водопостачання й кондиціювання повітря різних споруд у містах, сільській місцевості, а також у різних галузях промисловості й сільському господарстві дозволить уже в найближчі роки заощаджувати в країні до 30% традиційного палива, що становить 1,52,0 млн. т у. палива. При цьому спрощується вирішення екологічних проблем, а також забезпечуються найбільш сприятливі санітарні й побутові умови праці й життя населення. Вилучення трудомістких процесів, пов'язаних з видобутком палива й перетворенням його хімічної енергії в тепло, приведе до зниження чисельності обслуговуючого персоналу систем теплопостачання.

Зіставлення наявних даних по ресурсах термальних вод на території України з обсягом їх видобутку показує, що рівень використання геотермальної енергії поки незначний. Тому розробка наукових основ інтенсивного та ефективного використання геотермальних ресурсів, практична реалізація таких розробок в Україні є актуальною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота та дослідження за її тематикою виконані у відповідності до наступних тем науково-дослідних робіт Інституту технічної теплофізики й Інституту проблем моделювання в енергетиці НАН України: державна науково-технічна програма “Екологічно чиста геотермальна енергетика України”. Затверджена постановою Кабінету Міністрів України №100 від 04.05. 1996 р.; “Концепція енергозбереження та реформування енергетичного комплексу Автономної Республіки Крим”. (№ держ. реєстр. 0198U008152); “Розробка принципово нових комбінованих схем використання геотермальної енергії та попутного природного газу в паливно-геотермальних установках”. (0100U002223); “Дослідження можливості видобування геотермальної енергії шарів сухих гірських порід в Україні із застосуванням технології гідророзриву”. (0199U004510); “Розробка методів моделювання та моделюючих пристроїв для дослідження процесів тепломасопереносу при видобуванні геотермальної енергії, тепловому впливі на нафтонасичений пласт і вирішенні задач екології”. (0193U017083); “Дослідження циркуляційних систем для видобутку тепла Землі та акумулювання теплової енергії. Розробка методів моделювання термодинамічних режимів”. (0196U009481); “Дослідження методами математичного моделювання геотермальних родовищ в Криму. Розробка методів розрахунку геотермальних циркуляційних систем”. (0199U000154).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка наукових основ та дослідження процесу формування геотермальної аномалії степового Криму та інтенсивної технології видобування й використання геотермальних ресурсів.

Відповідно до зазначеної мети в роботі ставляться наступні задачі досліджень:

- розробка фізичної моделі процесу формування геотермальної аномалії на території Кримського півострова;

- створення теплофiзичних моделей для дослідження процесів теплопереносу при утворенні та функціонуванні геотермальної аномалії степового Криму;

- створення теплофiзичних моделей для дослідження процесів теплопровідності та розрахунку профільних температурних полів теплової аномалії степового Криму;

- створення теплофiзичних моделей та розрахунок планових температурних полів теплової аномалії Степового Криму;

- розробка теплофiзичних моделей гідродинамічних і теплових процесів при русі рідини в підземних проникних пластах з метою розрахунку полів тиску й температур при експлуатації геотермальних циркуляційних систем;

- проведення експериментів на діючих геотермальних циркуляційних системах і перевірка розрахункових значень гідродинамічних параметрів для конкретних систем;

- оцінка техніко-економічної ефективності використання геотермальної енергії в Криму.

Об'єкт дослідження. Об'єкт дослідження - геотермальна аномалія Степового Криму та системи видобування геотермальних ресурсів.

Предмет дослідження - процеси теплопереносу при утворенні та функціонуванні геотермальної аномалії Степового Криму, процеси фільтрації та тепломасопереносу при видобуванні геотермальних ресурсів.

Методи дослідження. Для розв'язку поставлених у роботі задач використані методи фізичного та математичного моделювання. Моделі теплопереносу та фільтрації при утворенні й функціонуванні геотермальної аномалії, що розроблені на основі детального аналізу геологічних, геофізичних, геотермічних даних по Кримському півострову. Теплофізичі моделі для дослідження: розподілу температур по глибині свердловин; процесів утворення та функціонування геотермальної аномалії Степового Криму; процесів теплопереносу та фільтрації при експлуатації геотермальних циркуляційних систем. Математичне моделювання процесів тепломасопереносу на ПЕОМ. Дослідження гідродинамічних процесів на натурних об'єктах степового Криму.

Наукова новизна отриманих результатів. Виконано детальний аналіз процесів утворення та функціонування геотермальної аномалії на території Криму, запропоновані різні варіанти фізичних моделей зазначених процесів.

Розроблені теплофізичні моделі та виконані дослідження процесів теплопереносу в геотермальній аномалії, одержано прогноз динаміки розвитку температурних полів.

Розроблена модель і виконані розрахунки розподілу температури по глибині свердловин за виміряними значеннями температури на певній глибині свердловини та даними про теплопровідність і потужність пластів гірських порід, що отримані у результаті буріння.

Вперше для геотермальної аномалії степового Криму запропонований метод розрахунку температур на основі наведених глибин, що дає можливість по одному виміру температури в свердловині розрахувати її значення в даному місці на будь-якій глибині.

На підставі розроблених методів вперше: реалізовані профільні моделі температурних полів геотермальної аномалії, що дозволяють одержати значення температур на заданій глибині для довільного геотермічного розрізу степового Криму; розроблені та реалізовані планові моделі температурних полів геотермальної аномалії, що дозволяють одержати значення температур у довільній точці степового Криму на заданій глибині без буріння свердловин.

Реалізація даних моделей дозволяє побудувати схематичні планові та профільні карти розподілу температурних полів геотермальної аномалії степового Криму.

Вперше запропоновані: теплофізичні моделі процесів теплопереносу при неізотермічній фільтрації в колекторах циркуляційних систем видобутку тепла Землі з урахуванням фізичних параметрів породних блоків, теплопритоків від навколишнього масиву й сил гравітації; теплофiзична модель планової безнапірної неізотермічної фільтрації при реалізації акумуляторів теплоти в підземних проникних пластах.

Практична цінність роботи. Значимість дисертаційної роботи полягає в створенні нових фізичних і математичних моделей процесів формування й функціонування геотермальної аномалії та інтенсивної технології видобування геотермальних ресурсів.

Розроблені наукові основи для промислового освоєння інтенсивної екологічно чистої технології використання геотермальних ресурсів шляхом створення циркуляційних систем, що дозволяє у великих масштабах залучити нове первинне джерело енергії в паливно-енергетичний комплекс України. Виконані розробки та проведені промислові випробування основного й допоміжного устаткування геотермальних теплових пунктів для систем теплопостачання, розроблені рекомендації та регламенти по режимах їхньої експлуатації.

Впровадження результатів досліджень. Дослідно-промисловий зразок типового геотермального пункту потужністю 4,2 МВт у с. Янтарне Автономної Республіки Крим в 1994 р. випробуваний і зданий Міжвідомчій комісії.

В Криму розроблені та створені геотермальні циркуляційні системи для теплопостачання сумарною потужністю 19 МВт.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто сформульовані задачі досліджень, обґрунтовані положення, які обумовили наукову новизну і практичне значення роботи; розроблені нові математичні моделі та алгоритми розрахунку процесів теплопереносу й фільтрації в геотермальній аномалії і системах видобування геотермальних ресурсів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень та основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на міжнародних симпозіумах, наукових конференціях, семінарах.

Результати досліджень й основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на різних, у тому числі, міжнародних симпозіумах, наукових конференціях, семінарах: Міжнародна науково-практична конференція “Нетрадиційна енергетика в ХХ столітті” (2000 - 2001 р.р.); щорічні науково-технічні конференції Інституту проблем моделювання в енергетиці НАН України (1998 - 2000 р.р., 2004 р.); Міжнародні конференції по геотермальній енергетиці (Сочі, 2003 р., Петропавловськ-Камчатський, 2004 р.); Міжнародна науково-практична конференція “Регіональні проблеми енергозбереження у виробництві та споживанні енергії” (1999 р.); YII конференція країн СНД “Проблеми екології та експлуатації об'єктів енергетики” (1997 р.); Proceedings world Geothermal Congress 2000, Kyushu-Tohoku, Japan, May 28 - June 10, 2000 та ін.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 2 монографії й 35 друкованих наукових праць, у тому числі, 25 статей у провідних фахових виданнях, що затверджені ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 250 сторінок тексту й складається зі змісту, введення, семи розділів і списку літератури з 164 джерел.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність напрямку досліджень, відображено зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету і задачі досліджень, показано новизну отриманих результатів і практичну цінність роботи, наведено відомості про апробацію результатів.

У першому розділі наведена загальна характеристика ресурсів глибинної теплоти Землі та стану використання геотермальної енергії для теплопостачання споживачів і вироблення електроенергії у світі. Наведені існуючі технологічні схеми геотермальних установок і відзначені їхні особливості. Дається опис моделей функціонування теплових аномалій.

Наведені дані по ресурсах геотермальної енергії в Україні.

Більшість діючих в закордонних країнах геотермальних енергоустановок власне є утилізаційними - в них використовуються природні теплоносії, що виходять на поверхню самовиливом за рахунок пружної енергії пластів.

Природні умови більшості геотермальних родовищ України практично виключають можливість застосування фонтанної технології. Це пояснюється тим, що відомі родовища термальних вод характеризуються обмеженими запасами природного теплоносія та малими водопритоками в області живлення водоносних горизонтів. Крім того, термальні води мають високу мінералізацію й після охолодження їх треба захоронити, щоб захистити земельні угіддя від засолення.

В Інституті технічної теплофізики НАН України академіками А.Н. Щербанем та О.О. Кремньовим в 1962 році для видобування теплоти глибинних пластів Землі вперше було запропоновано створити системи із примусовою циркуляцією теплоносія через підземні проникні пласти, що отримали назву геотермальних циркуляційних систем (ГЦС).

По нагнітальних свердловинах ГЦС у підземний колектор закачується охолоджений теплоносій. При русі через колектор теплоносій нагрівається за рахунок відбору теплоти від твердого скелета й навколишнього гірського масиву.

Нагнітання в колектор холодного теплоносія дозволяє підтримувати постійним пластовий тиск, видобувати теплоту гірських порід, що містять геотермальний теплоносій, вирішувати проблему захоронення відпрацьованих термальних вод. Тому при створенні ГЦС реалізується інтенсивна технологія видобутку геотермальної енергії.

Перші випробування технології геотермальних циркуляційних систем були початі в 1983 р. у Криму на Новоселівській площі в 1983 р. в (с. Іллінка). В ході випробувань з'явився ряд невирішених проблем, що вимагають першочергового розв'язання. У першу чергу, - це проблема ефективного зворотного закачування відпрацьованого теплоносія. Дослідження цих процесів були подовжені при запуску та експлуатації інших теплових пунктів у Криму.

У першому розділі також зроблений огляд геотермічних досліджень, проведених на території Степового Криму, з якого видно, що в процесі цих досліджень були складені схематичні карти розподілу геотермічного градієнта та щільності теплового потоку. Результати, що були отримані при дослідженнях температурних полів, для території всього півострова не узагальнювались.

У цьому ж розділі описані водонапірні системи Степового Криму. Водонапірні пластові системи є складними комплексами напірних горизонтів підземних вод, які розділені слабопроникними пластами, з визначеними умовами створення напору, руху й розвантаження. Потік підземних вод є складним тривимірним рухом, де треба враховувати конфігурації областей живлення й розвантаження, розподіл фільтраційних параметрів.

Нагнітання холодної рідини при експлуатації ГЦС викликає значне локальне збурення, яке впливає на картину фільтраційного потоку й температурне поле родовища і може значно змінювати гідродинамічні і геотермічні умови району.

У зв'язку із цим у роботі ставиться задача дослідження температурних полів у похилих пластах і вертикальних розрізах. Необхідно розробити моделі процесів фільтрації й тепломасопереносу у водонапірних пластових системах, з урахуванням сил гравітації, для дослідження температурних полів у похилих пластах і вертикальних розрізах.

Огляд моделей утворення геотермальних аномалій Криму показує, що відсутність на теперішній час достатніх даних по температурних полях затрудняє створення цілісної моделі розглянутої території. Крім того, при побудові моделі утворення геотермальної аномалії певні труднощі виникають із вибором початкової моделі, що будується на основі апріорної геолого-геофізичної інформації.

Оскільки, з одного боку, такої інформації завжди не вистачає, а з іншого боку, вона має неоднозначне тлумачення, то виникає необхідність у вивченні різних варіантів декількох моделей, тобто створення адекватної моделі цього складного природного явища неможливе. Підтвердженням цього є наведені раніше в огляді моделі. Можна зробити висновок, що для вирішення проблеми побудови адекватної моделі утворення геотермальної аномалії необхідно знаходити інші шляхи.

На основі результатів виконаного аналізу сформульовані основна мета та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі показано, що математичне моделювання процесів фільтрації в земній корі є ефективним, а іноді, єдиним методом дослідження зазначених процесів. Наведені обґрунтування прийнятих допущень та математичні моделі теплопереносу в земній корі й процесів у водонапірних пластових системах, отримані алгоритми для чисельного рішення поставлених задач, а також розрахунковий модуль для дослідження теплового режиму земної кори.

У третьому розділі розглянутий запропонований автором метод розрахунку значень температури в будь-якій (по висоті) точці свердловини та у фундаменті водоносного горизонту за значенням температури в довільній точці свердловини.

Аналіз зміни температури та коефіцієнтів теплопровідності гірських порід по глибині у 311 свердловинах, що пробурені в Криму, став основою розробки методу прогнозного розрахунку температурних полів у геотермальній аномалії Степового Криму.

Для розрахунку температури породи на будь-якому рівні за значенням температури, що одержане в результаті замірювання в свердловині на іншому рівні, пропонується по геолого-гідрологічному розрізу свердловини або по геологічних профілях розрахувати приведені потужності mП шарів пласта по відношенню до коефіцієнта теплопровідності фундаменту ф (для геотермального родовища Криму нами прийнято ф=3 Вт/м.град).

Треба відзначити, що при такій постановці задачі можна користуватися середніми значеннями коефіцієнта теплопровідності гірських порід, які й визначають приведену потужність усього пласта в такий спосіб:

,,(1)

де mПР - приведена потужність усього пласта або приведена глибина свердловини, (м); mСЛ - потужність шару пласта, (м); СЛ - коефіцієнт теплопровідності шару пласта, Вт/м.град.

На цій основі отримані наступні вирази для шуканої температури TИСК.

У випадку, якщо позначка, на якій необхідно знайти шукану температуру ТИСК, знаходиться нижче точки заміру температури в свердловині, то її значення розраховується по формулі:

,(2)

де ТИЗМ - значення температури, яке одержане заміром у свердловині, град; Т0 - температура нейтрального шару, град; mП1...mПn - приведені потужності шарів пласта, м; 1... n - коефіцієнти теплопровідності пласта, Вт/м.град; hИЗМ - глибина, на якій був зроблений замір температури, м;

h1...hn - глибини залягання підошов пластів, м; hИСК - глибина, на якій потрібно визначити значення температури, м.

У правій частині формули (2): перший множник відповідає перепаду температури на одиницю приведеної потужності пластів гірських порід до позначки заміру температури; другий множник показує приведену потужність пластів гірських порід від позначки заміру температури до позначки, для якої розраховується температура.

Температуру в точці, що знаходиться вище позначки заміру температури в свердловині, можна розрахувати по формулі:

,(3)

.(4)

У випадку, коли температура в свердловині заміряна нижче покрівлі фундаменту, шукана (вище позначки заміру температури в свердловині) температура ТИСК буде дорівнювати:

(5)

Температура у фундаменті під свердловиною розраховується по формулах:

; (6)

.(7)

На основі аналізу зміни теплопровідності верхніх шарів земної кори в Степовому Криму зроблений висновок про те, що середнє значення коефіцієнта теплопровідності гірських порід, що залягають нижче горизонту 1000 м і теплопровідність фундаменту водоносного горизонту є величини досить близькі.

Зазначимо, що коефіцієнт теплопровідності гірських порід, що залягають вище 1000 м, значно менше коефіцієнта теплопровідності фундаменту. Тому введемо поняття коефіцієнта ефективної теплопровідності порід першого від поверхні Землі кілометра (ЭФ), який відповідає теплопровідності “однорідного” шару гірських порід, що забезпечує фактичний перепад температур для заданої точки геотермальної аномалії Криму.

Внаслідок низької ефективної теплопровідності порід першого кілометра перепад температур на 1 км глибини в цих породах істотно більше перепаду температур на 1 км порід, що залягають нижче першого кілометра.

У зв'язку з цим вводиться поняття “додаткової глибини” (hДОП), яка визначається як різниця між приведеною та фактичною глибиною позначки, для якої розраховується ТИСК.

hДоп=mПР-m,

m - фактична потужність усього шару, що утворюється шарами гірських порід, які залягають на глибині до 1000 м. Підсумовуючи сказане, можна записати:

,(8)

де hДОП - перевищення приведеної глибини над дійсною; ЭФ - приведена ефективна теплопровідність породи першого кілометра; k - відношення коефіцієнта теплопровідності фундаменту до ефективного коефіцієнта теплопровідності першого кілометра породи або відношення приведеної глибини до дійсної.

На цій основі розроблена методика розрахунку температурних полів геотермальної аномалії степового Криму по приведених глибинах.

Для розрахунку температур по глибині для кожного конкретного родовища Криму визначаємо приведену глибину першого кілометра породи.

Якщо позначка заміру температури розміщена на глибині менше 1000 м, то значення температури вище позначки заміру розраховується по формулі

.(9)

Якщо глибина, на якій зроблений замір температури, менше 1000 м, то значення температури нижче позначки заміру розраховується по формулі:

.(10)

Якщо глибина, на якій зроблений замір температури, більше 1000 м, то значення температури вище позначки заміру до 1000 м розраховується по формулі:

. (11)

Якщо глибина, на якій зроблений замір температури, більше 1000 м, то значення температури вище позначки заміру після 1000 м розраховується по формулі:

. (12)

Якщо глибина, на якій зроблений замір температури, більше 1000 м, то значення температури нижче позначки заміру розраховується по формулі:

.(13)

Крім того, у третьому розділі наведені розроблені автором спрощені формули для оціночного розрахунку температур по глибині та формули для визначення глибини, для якої є задана температура.

Для розрахунку температурних полів зрізів між свердловинами пропонуються профільні моделі, в яких процес теплопровідності описується рівнянням:

.(14)

Розроблена профільна модель для розрахунку температурного поля розрізу с. Оленівське - с. Янтарне. Модель складається із двох областей. У першій області до глибини 1000 м теплопровідність дорівнює приведеній ПР, а в другій області після 1000 м теплопровідність дорівнює теплопровідності фундаменту - Ф.

На нижній границі моделі задані граничні умови першого роду (Т=13С). Значення температур у вузлах на рівні 5000 м, де є свердловини, розраховуються по запропонованих раніше формулах, а у вузлах, де свердловин немає, визначаються методом лінійної інтерполяції по температурах на цьому рівні у двох сусідніх свердловинах. Теплопровідність порід на першому кілометрі, де є свердловини, визначається як ЭФ, а між вузлами методом лінійної інтерполяції.

Значення температури для будь-якої точки розрізу також можна одержати методом лінійної інтерполяції.

У четвертому розділі розглянуті методи розрахунку й побудови планових моделей геотермальних родовищ Степового Криму, які необхідні при оцінці запасів глибинного тепла Землі та його практичного використання.

Побудова планової геотермічної карти за дискретними даними - складна й трудомістка задача. Побудувати планову геотермічну карту для великих глибин взагалі неможливо через відсутність свердловин.

Для побудови схематичних комп'ютерних карт геотермальної аномалії Степового Криму пропонується використати планову модель процесу теплопровідності. геотермальний кримський теплопровідність

Область, яка моделюється (у нашому випадку територія Степового Криму), зображається у вигляді прямокутника. Вибирається необхідна кількість вузлових точок по сторонах прямокутника й крок сітки по простору ?x=?y. Наявні дискретні значення шуканої функції задаються із прив'язкою до вузлів прямокутної сітки як граничні умови першого роду. На бокових границях задаються граничні умови другого роду , де n - нормаль до границі. Рівняння теплопровідності розв'язується відносно часу доти, поки не відбудеться установлення.

У результаті розв'язання рівняння одержимо значення шуканої функції для всіх вузлових точок. Похибки такої двовимірної інтерполяції залежать від кількості фактичного матеріалу та дискретизації простору. Застосовуючи обрані методи інтерполяції, отримане рішення зобразимо у вигляді еквіпотенціальних ліній з необхідним інтервалом відображення шуканої функції та оконтуримо межами півострова. У результаті побудована планова схематична карта температурних полів. Цю карту можна також подати у вигляді об'ємного зображення шуканої функції в просторових координатах.

По профільних розрізах і даних про потужності різних стратиграфічних комплексів, що розкриваються розвідницькими свердловинами, були розраховані значення перевищення дійсної глибини першого кілометра для окремих площ і свердловин Степового Криму.

За отриманими значеннями додаткової глибини для площ й окремих свердловин побудована схематична карта значень додаткових глибин Степового Криму.

Область, що моделюється, зображена прямокутником з кількістю вузлових точок по сторонах, рівною 8040 (крок сітки x=y=2500 м).

Фактичні дані про температури в земній корі на території Кримського півострова обмежені через глибини свердловин, які досягають в наш час 3000-4500 м. Є ряд робіт (у тому числі, звіти ДГП ''Кримгеологія''), в яких узагальнений фактичний матеріал по свердловинах і побудовані геотермічні карти (для глибин 1000, 2000, 3000 і 4000 м). Слід зазначити, що, наприклад, для Новоселівського підняття взагалі відсутні значення температур, які були б заміряні в свердловинах глибше 2000 м, а для глибин більше 3000 м недостатньо даних для побудови геотермічної карти регіону.

Як було показано вище, відповідно до розроблених методів значення температур на великих глибинах можна отримати розрахунком на основі даних замірів температур у свердловинах і по теплофізичних параметрах гірських порід.

Зріз 5000 м пролягає у фундаменті, тому середовище під ним можна вважати однорідним, а теплофізичні параметри нижчого шару земної кори постійними. Створення схематичної геотермічної карти для глибини 5000 м необхідне для прогнозних розрахунків температурних полів вище й нижче цього зрізу.

Схематична геотермічна карта Степового Криму побудована аналогічно карті додаткових глибин.

Область, яка моделювалась, зображена прямокутником. Кількість вузлових точок по сторонах прямокутника дорівнює 8040 (крок сітки x=y=2500 м). Значення температур на зрізі 5000 м, що розраховані нами по фактичних замірах в свердловинах, задані з прив'язкою до вузлів прямокутної сітки у вигляді граничних умов першого роду. На бокових границях теплового потоку немає.

У табл. 1 наведені дані фактичного заміру температур ТИЗМ на різній глибині hИЗМ для деяких площ. За значеннями температур, що характеризують зріз на глибині 5000 м, розраховані значення температур ТР на глибинах hИЗМ, для яких є дані фактичних замірів температур в свердловинах. При розрахунках температура нейтрального шару була прийнята Т0=13С. З результатів аналізу даних таблиці випливає, що відмінність між фактичними значеннями температур в свердловинах і значеннями, що одержані розрахунком, не перевищує 10%.

В Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України для розв'язання задач, які пов'язані з дослідженням процесів тепломасопереносу, розроблений програмний комплекс “Фур'є - 2”, що складається з інтегральної оболонки та набору розрахункових модулів.

Для цього програмного комплексу розроблений (за участю автора) розрахунковий модуль для побудови схематичних електронних карт температурних полів геотермальної аномалії Криму для довільного зрізу по глибині.

Отриманий розв'язок можна представити у вигляді таблиці, кольорової картинки на екрані монітора зі значеннями температур з координатами вибраного вузла та еквіпотенціальних ліній з потрібним інтервалом відображення температури.

Таблиця 1 Похибки, що отримані при розрахунку значень температур у свердловинах за значеннями температур на зрізі 5000 м

Найменування площі

hИЗМ,м

ТИЗМ,С

ТР,С

,%

1. Бакальська

1485

85

87

2,4

2. Балашовська

1638

78

77

-1,3

3. Джанкойська

591

36

35

-2,8

4. Єлизаветинська

970

47

49

4,3

5. Карлавська

3843

139

143

2,9

6. Красноперекопська

1470

70

71

1,4

7. Красновська

765

55

50

-9,0

8. Криловська

972

46

47

2,2

9. Мєловая

2295

84

87

3.,6

10. Найдьонівська

1045

49

50

3,2

11. Нижнегірська

2670

100

99

-1,0

12. Ново-Олексіївська

2976

107

103

-3,7

13. Новоселівська

1037

63

62

-1,6

14. Октябрьська

2897

105

104

-0,4

15. Родніковська

3813

128

129

0,8

16. Серебрянська

1478

59

62

4,3

17. Слов'янська

1234

51

54

5,9

18. Тетянівська

3486

122

123

0,8

19. Чорноморська

1643

87

90

3,4

П'ятий розділ присвячений дослідженню процесів виникнення та функціонування геотермальної аномалії Степового Криму.

На основі фактичних даних, в основному, по області розвантаження гідротермальних систем, та інформації лише про верхні, доступні для буріння (1,54 км) горизонти, що одержана при випробуванні свердловин, доцільно поставити питання про механізм функціонування геотермальної системи в цілому (до 50 км). Це питання має не тільки теоретичне, але і велике практичне значення для прогнозу динаміки розвитку геотермальних систем. Відповіді можна одержати, якщо використовувати методи моделювання, оскільки глибину, яка досягнута бурінням, неможливо зіставити з розмірами даних геотермальних зон. Це обумовлює доцільність дослідження термогідродинамічних процесів в геотермальних системах до вказаних глибин на моделях систем.

У Степовому Кримі потужність земної кори не перевищує 40000-45000 м. Тому доречно ставити питання про механізм функціонування геотермальної системи Криму в цілому до зазначеної глибини.

Найдоцільнішим методом розв'язання зворотної задачі утворення геотермальної аномалії при відсутності точних даних про фізичні процеси є метод підбору. За його допомогою можна будувати досить складні моделі, ураховувати різні гіпотези та вносити відповідні зміни й доповнення в процесі розв'язання задачі. У цьому випадку задача зводиться до підбору основних параметрів середовища (теплових властивостей, генерації й поглинання тепла та ін.) для найкращої збіжності теоретично розрахованих теплових полів із існуючими полями. При цьому необхідно встановити розміри, форму та тепловий режим окремих активних зон аномалії та розв'язанням варіантних задач одержати розподіл температури у верхніх шарах (вище 5000 м) земної кори, що адекватне фактичному розподілу на теперішній час.

Локальні теплові аномалії можуть бути обумовлені неоднорідностями земної кори, іншими геологічними чинниками та ін. Слід зазначити, що накладання цих факторів створює досить мозаїчну картину температурного поля на глибинах 0-5000 м, що не завжди можна витлумачити однозначно. Для виключення неоднозначності будемо вважати, що розподіл температури у фундаменті на зрізі 5000 м, який отриманий по температурах, що заміряні у свердловинах, є достовірним, і з ним будемо порівнювати результати моделювання. Неоднорідності земної кори та конвективний перенос тепла в поверхневих шарах Землі (0-5000 м) будемо враховувати введенням ефективних коефіцієнтів теплопровідності, а середовище, що нижче 5000 м, вважати однорідним.

Були зроблені спроби створення стаціонарної моделі процесу теплопереносу в Кримській геотермальній аномалії, але підбором граничних умов вдалося тільки в деякій мірі наблизити результати моделювання до реальних.

На основі аналізу результатів реалізації стаціонарної моделі зроблений висновок про те, що в Кримській геотермальній аномалії має місце нестаціонарний процес вирівнювання температур від втілення тепловиділяючих об'єктів. Для розрахунку розподілу температур розв'язувалось нестаціонарне рівняння теплопровідності з відповідними граничними і початковими умовами.

Збурювання теплового поля, безумовно, впливають на початковий розподіл температур. Початковим розподілом температури в земній корі вважаємо рівномірний розподіл. У нейтральному шарі Землі температура Т0=13С, а на глибині 50 км - 1200С. У цьому випадку початкова температура на глибині 5000 м буде дорівнювати 150С, а ізотерма 1000С буде відповідати глибині 41000 м.

Як зазвичай, тепловиділяючі об'єкти апроксимуються тілами правильної геометричної форми. Для випадку двовимірної задачі теплопереносу вони зображені прямокутниками, ширина яких підібрана дослідами у процесі моделювання, а глибина втілення “підказана” в процесі розв'язання стаціонарних задач та уточнювалась при розв'язанні різних варіантів задачі.

Реалізована двовимірна профільна модель процесів теплопереносу під час утворення Кримської геотермальної аномалії, в якій імітується охолодження двох гарячих тіл шириною 10 км під Бакальською площею і 12 км - під Новоселівською площею з початковою температурою 10000С (початкові умови). Відстань між центрами тіл дорівнює 47 км, що відповідає відстані між Новоселівською та Бакальською площами. Ці тіла втілюються в земну кору, температура в якій до глибини 10 км рівномірно розподілена. Геотермальна аномалія Степового Криму формується під впливом теплових джерел.

Приблизно через 106 років на моделі формується температура, яка наближена за своєю формою до фактичного розподілу температур на зрізі 5000 м в даний час.

Через 2106 років температура знизиться до 200-205С. У середині між джерелами температура поступово підвищується за рахунок теплообміну між породами і в даний час наближується до 166С. Через 2106 років температура підвищиться до 173С.

При суміщенні карти глибин залягання підошви водоносного комплексу нижньокрейдових відкладень з картою розподілу температур на зрізі 5000 м встановлено, що мінімальні значення температур спостерігаються в областях максимальних глибин залягання підошви.

Так, в районі свердловин Тетянівська, Першотравнева та Крестьянівська, де глибина підошви водоносних горизонтів більше 4500 м, розрахункова температура на зрізі 5000 м дорівнює 143С.

На цьому грунтується припущення, що під час втілення теплових джерел, що вплинули на формування геотермальної аномалії Степового Криму, на вказаній площі відбулося опускання частини земної кори. Для перевірки даної гіпотези була реалізована двовимірна профільна модель процесів теплопереносу під час утворення Кримської геотермальної аномалії для розрізу Першотравнева - Новоселівська. При цьому під Новоселівською площею імітується втілення та охолодження гарячого тіла з початковою температурою 10000С (початкові умови) і шириною 12 км. Гаряче тіло втілюється в земну кору, температура в якій рівномірно розподілена до глибини 10 км від поверхні Землі. Також припускається, що в районі свердловини Першотравнева відбувається заглиблення на 5 км частини земної кори шириною 10 км.

Профільна модель представлена прямокутною областю завдовжки 30 км й глибиною 50 км (дискретність 1 км). На верхній та нижній границях задані граничні умови першого роду - Т0=13С і Т=1200С, відповідно. Додаткова глибина першого кілометра враховувалася перерахунком. На бокових границях моделі задані граничні умови другого роду Т/n = 0.

На цій моделі також приблизно через 1.0106 років (теплофізичні параметри фундаменту c=600 Втч/м3град, =3 Вт/мград) формується температурне поле, що наближене за своєю формою та значенням температур до фактичного розподілу температури на зрізі 5000 м. В даний час продовжується процес нагріву об'єму земної кори, що заглибився.

Результати моделювання показують, що запропонована гіпотеза є коректною.

На основі результатів моделювання температурних полів Степового Криму можна зробити висновок, що наявність інтенсивних аномалій теплового потоку в цьому районі пояснюється підйомом нагрітої глибинної речовини у верхню частину мантії та земну кору. Положення збурюючого об'єкту та запас теплової енергії в ньому є визначальними факторами.

У загальних рисах механізм формування геотермальної температурної аномалії Степового Криму можна визначити таким чином. У вулканічних поясах створюються геотектонічні умови, які сприяють утворенню розломів різного простягання з супутніми їм проявами магматичної активності.

Геотермальні умови, що склалися, є наслідком теплової взаємодії тіл з аномально високою температурою, з водонасиченими породами земної кори за допомогою кондуктивного теплообміну.

Таким чином, застосування методів математичного та фізичного моделювання дозволяє в кількісній формі зобразити достатньо складну картину теплових процесів в межах геотермальних систем Криму. Перевага даного зображення полягає у тому, що воно дає можливість пояснити з позицій єдиного механізму все різноманіття геотермальних умов на території Кримського півострова.

У шостому розділі розглянуті моделі неізотермічної фільтрації рідини в проникному середовищі з урахуванням: сил гравітації; теплопритоків від навколишнього масиву і сил гравітації; фізичних параметрів породних блоків і сил гравітації; теплопритоків від навколишнього масиву; фізичних параметрів породних блоків й сил гравітації.

Така постановка задачі дає можливість розрахувати температуру та тиск рідини, що фільтрується, температуру в об'ємі породних блоків і навколишньому масиві.

Узагальнену систему рівнянь, що описує процес неізотермічної фільтрації у водопроникному пласті, для випадків, які перелічені вище, можна записати в наступному вигляді:

(15)

;(16)

; (17)

(18)

A=k(x,y,T)m(x,y); B=k(x,y,T m(x,y); C=k(x,y,T)m(x,y)cos; D=k(x,y,T)m(x,y)cos; ,

де P - тиск, МПа; m - змінна товщина пласта, м; p - пористість; cПП - об'ємна теплоємність породи, Дж/м3.град; ,- складові швидкості фільтрації, м/с:

=(x, у)m(x, у); з=cmp(x, у); Б=Би(u, v, w); cББ=cББи(1-p); M=M(x, у); cMM= cMM(x, у).

У кожному вузловому об'ємі знаходяться N блоків породи, кількість яких дорівнює:

,

де VБ - об'єм одного блоку; h - крок по простору.

Розглянутий випадок, коли породні блоки представлені паралелепіпедами із сторонами розміром аа2a, що омиваються з одного боку (аа) рідиною. Тоді рівняння (17) для одного блоку можемо записати в одновимірному вигляді:

(19)

Гранична умова для рівняння (18) на границі пласта береться з умов спряжування. Такий підхід еквівалентний моделюванню навколишніх порід набором теплоізольованих “стрижнів”. В цьому випадку рівняння (18), що визначає тепловий потік із пласта в будь-якій точці покрівлі-підошви, можна записати в одновимірному вигляді:

(20)

Система рівнянь (15) - (18) у кожному конкретному випадку повинна бути доповнена початковими і граничними умовами.

Зазначимо, що рівняння (15) - (16) можуть описувати різні випадки двовимірної неізотермічної фільтрації: плоска течія в “тонкому” похилому пласті змінної потужності; двовимірна течія у вертикальній площині; двовимірна вісесиметрична течія і т.д.

Після дискретизації системи рівнянь з використанням кінцево-різницевих схем, якщо прийняти по координатах x, у рівномірний крок, що дорівнює h, і за часом n, одержимо вираз для розрахунку тиску в проникному шарі для вузла i, j, в кінцево-різницевій формі:

. (21)

Вираз для розрахунку температур має вигляд:

(22)

Значення температур і тиску на першому часовому кроці визначаються ітераційним способом. Після чого по формулах (23) і (24) безітераційним способом розраховується розподіл температури в об'ємі породних блоків:

; (23)

. (24)

Далі, якщо відоме значення температури Тi,j,n методом прогонки або іншими відомими методами знаходимо розподіл температур усередині породного масиву. Після цього продовжуємо ітераційний процес для наступного часового кроку.

Таким чином, запропонована модель дозволяє одержати розподіл температури і тиску у водопроникному колекторі, а також розподіл температури в породних блоках, що складають пласт, і в оточуючому його масиві.

У сьомому розділі обґрунтована економічна доцільність освоєння ресурсів конкретного родовища з використанням метода економіко-математичного моделювання, розробленого професором Санкт-Петербурзького державного гірничого інституту (технічного університету) Е.І. Богуславським

Як розв'язок однієї із багатьох задач економіко-математичного моделювання на основі моделі станції геотермального теплопостачання, складовою якої є геотермальна циркуляційна система із природним колектором, дана оцінка впливу основних природних факторів на техніко-економічні параметри та показники геотермального теплопостачання при розробці низькотемпературних водоносних горизонтів. Виконані оптимізаційні розрахунки для умов с. Янтарне в Криму.

Наведені результати практичної реалізації циркуляційної технології розробки геотермальних родовищ в Криму.

За результатами проведених натурних випробувань на багатьох ГЦС в Криму виявлений ряд загальних закономірностей зміни технологічних показників, а також ряд особливостей, що обумовлені відмінністю гідрогеологічних умов різних площ.

Тривала експлуатація ГЦС підтвердила результати попередніх розрахунків щодо доцільності використання циркуляційної технології, надала можливість обґрунтувати кондиції теплоносіїв, провести дослідження з метою підготовки даних для захисту експлуатаційних запасів теплоенергетичних вод.

На всіх об'єктах встановлено, що при заданому режимі експлуатації з задовільною швидкістю стабілізуються величина витрати теплоносія та динамічний тиск на усті підйомних свердловин. Тиск нагнітання, який необхідний для забезпечення заданого дебіту нагнітальних свердловин, постійно зростає через збільшення гідравлічного опору призабійної зони свердловини.

Спостереження, проведені на семи об'єктах в Криму, показали, що початкове зростання тиску нагнітання є внутрішньою властивістю колектора і для всіх об'єктів відношення величини тиску нагнітання, при якому встановлюється квазістаціонарний режим, до початкового тиску нагнітання, наближується до однієї величини 1,35. Цей коефіцієнт потрібно враховувати при розрахунку необхідного тиску нагнітання та виборі нагнітальних насосів.

За результатами випробувань визначені також вимоги до якості води, що закачується у водоносний горизонт, та до систем її очищення.

Серед реалізованих в Криму проектів найперспективнішим за геолого-геотермічними умовами продуктивного горизонту є тепловий пункт в с. Янтарне. У 1990-1991 р.р. в селищі на відстані 300 м одна від одної були пробурені дві досконалі свердловини - №36Н і 36Д, якими був розкритий неокомський водоносний горизонт.

Встановлена температура водоносного колектора 90С, пластовий тиск - 24.0 МПа. Глибина залягання підошви продуктивного горизонту - 2300 м, покрівлі - 2100 м, загальна потужність пласта - 200 м, ефективна потужність - 90 м.

За даними результатів дослідних випусків і випробувань свердловин розраховані основні фільтраційні параметри продуктивного горизонту. Розрахунковий коефіцієнт гідропровідності має значення 1.1103 Дарсі см/спз, коефіцієнт п'єзопровідності - 1.9 м2/с, коефіцієнт проникності - 0.35 Дарсі.

Схема прямого використання геотермального теплового пункту (ГТП) для опалювання житлових приміщень вперше реалізована в с. Янтарне. Тут температура теплоносія на усті підйомних свердловин має значення 85С.

В Інституті технічної теплофізики НАНУ розроблений блоково-модульний геотермальний тепловий пункт як типове устаткування для широкомасштабного впровадження. Він призначений для використання термальних вод із температурою від 60С до 95С. Дослідно-промисловий зразок ГТП був випробуваний на геотермальному родовищі в с. Янтарне.

Перед експлуатацією на ГТП в с. Янтарне проведений комплекс попередніх випробувань. При цьому здійснювався контроль дебіту термальної води об'ємним способом й контроль зміни температури термальної води на усті свердловини (табл. 2). Дебіт становив 65 м3/год, що співпадає з даними попередніх випробувань свердловин.

Таблиця 2 Зміна температури термальної води на усті підйомної свердловини

25.05.1994р.,

год, хв

930

935

940

950

955

1000

1010

1025

Температура,С

44

53

61

72

77

78

78

80

Проводилася також імпульсна промивка свердловин, по черзі: то через колону насосно-компресорних труб (НКТ), встановлених в кожній свердловині до глибини 500 м, то через кільцевий канал між колоною НКТ і обсадочною колоною. Результати спостережень показали, що при імпульсній промивці свердловин вони очищуються краще. Про це свідчать і дані короткотермінових дослідних нагнітань в свердловини. Результати двох дослідних закачувань приведені в табл. 3 За приведеними даними середнє значення приємистості свердловини склало 1.18.10-3 м3/с МПа. Після імпульсної промивки також проводилися пробні закачування. Розрахована за результатами цих закачувань приємистість свердловин склала 3.14.10-3 м3/с МПа, тобто приємистість зросла приблизно в 2.7 рази.

Таблиця 3 Результати короткотермінових дослідних нагнітань в свердловини

Тиск нагнітання, МПа

Тривалість

процесу нагнітання, с

Об'єм закачаної рідини,м3

3.0

260

1.0

5.0

160

1.0

8.0

150

1.0

10.0

85

1.0

3.0

230

1.0

5.0

155

1.0

7.5

155

1.0

Подальші випробування системи геотермального теплопостачання проводилося в два етапи.

На першому етапі випробовувалася безпосередньо геотермальна циркуляційна система без підключення до неї наземного теплотехнічного устаткування. Метою випробування ГЦС було:

- вимірювання дебіту, динамічного тиску на усті підйомної свердловини і температури термальної води при різних режимах роботи ГЦС;

- вимірювання концентрації механічних домішок в термальній воді на вході в систему очищення і на виході з неї;

- вимірювання тиску нагнітання при різних значеннях витрат термальної води;

- уточнення фільтраційних параметрів водоносного горизонту за даними дослідних випробувань ГЦС.

У процесі випробувань включаються: підйомна і нагнітальна свердловини, підземний проникний колектор, устаткування насосної станції по зворотному закачуванню води, система механічного очищення термальної води, контрольно-вимірювальні прилади і апаратура.

У початковий період нагнітання гідродинамічні процеси мають різко нестаціонарний характер. Відбувається швидке падіння тиску на виході з підйомної свердловини і зростання тиску нагнітання (табл. 4).

Як видно з табл. 4, параметри, що вимірюються - витрата термальної води G, динамічний тиск на усті підйомної (РДП) і нагнітальної (PДН) свердловин, - в початковий період роботи ГЦС зазнають істотних змін. У момент включення нагнітального насоса тиск на усті підйомної свердловини знижується з 1.2 МПа до 0.05-0.10 МПа, на усті нагнітальної свердловини тиск, відповідно, починає зростати.

Швидкість зростання тиску нагнітання в початковий момент

МПа/с.

Потім темп зростання тиску нагнітання уповільнюється. Одночасно відбувається поступове зменшення витрати води. Тому умовна величина приємистості в перші 30 хвилин роботи ГЦС зменшується від 0.012 м3/с МПа до 0.004 м3/с МПа, тобто приємистість за цей час погіршується в три рази.

Таблиця 4 Зміна параметрів в початковий період роботи ГЦС

24.0 3.06.1994 р.,год, хв

1115

1120

1130

...

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены