Научно-методические основы определения параметров пароводяных течений для рационального освоения геотермальных месторождений

Шулюпин, Александр Николаевич

Автореферат диссертации по теме "Научно-методические основы определения параметров пароводяных течений для рационального освоения геотермальных месторождений"

На правах рукописи

Шулюпин Александр Николаевич

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПАРОВОДЯНЫХ ТЕЧЕНИЙ ДЛЯ РАЦИОНАЛЬНОГО ОСВОЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность: 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Хабаровск - 2003

Работа выполнена в Камчатском государственном техническом университете

Научные консультанты:

доктор технических наук, профессор Латкин Александр Сергеевич, доктор технических наук Бойко Валентин Федорович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Поваров Олег Алексеевич,

доктор геолого-минералогических наук, профессор Кирюхин Алексей Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор Епанешников Владимир Дмитриевич

Ведущая организация: Институт вулканической геологии и геохимии ДВО РАН

Защита состоится 09 июля 2003 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д.005.009.01 в Институте горного дела ДВО РАН по адресу: 680000, г. Хабаровск, ул. Тургенева, д. 51.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела ДВО РАН

Автореферат разослан « О У» 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Общая характеристика работы

Актуальность темы. История развития цивилизаций характеризуется возникновением глобальной проблемы — обеспечение все возрастающих потребностей при ограниченности располагаемых ресурсов. Указанная проблема связывает прогресс развития общества с поиском нетрадиционных ресурсов жизнеобеспечения, в том числе и энергообеспечения.

В этой связи несомненный интерес представляют геотермальные флюиды, активно использующиеся в последнее время как источник тепла. Привлекает внимание также ценность компонентного состава флюидов, превосходящая стоимость извлекаемого тепла. И это логично - генезис многих месторождений полезных ископаемых связан с гидротермальной деятельностью. Поэтому геотермальные флюиды можно рассматривать как непосредственный сырьевой источник, использование которого позволяет миновать длительную стадию формирования месторождений полезных ископаемых в естественных условиях.

Отмечая хорошие перспективы практической геотермии, особенно при комплексном использовании флюидов, следует обратить внимание, что, как с теплоэнергетической точки зрения, так и с учетом ценности компонентного состава, наибольший интерес представляют высокотемпературные флюиды. При этом для практического освоения на ближайшую перспективу наибольший интерес представляют парогидротер-мальные месторождения, флюиды которых представлены, в основном, смесью воды и водяного пара.

В процессе освоения парогидротермальных месторождений приобрели актуальность проблемы, связанные с пароводяными течениями в элементах промыслового оборудования. В отличие от сходных проблем при разработке нефтяных и газоконденсатных месторождений с двухфазным флюидом и эксплуатации скважин в газлифтном режиме, в данном случае гидродинамические процессы находятся в существенной зависимости от термодинамических процессов. Недостаточная изученность термогидродинамических процессов в оборудовании промыслов препятствует практическому освоению месторождений.

Внедрение технологий экологически чистой разработки геотермальных месторождений с возвратной закачкой отработанного флюида, стремление к повышению эффективности традиционного теплоэнергетического и создание технологий комплексного использования ресурсов требуют новых подходов к обустройству промыслов. При этом возникает необходимость глубокого исследования термогидродинамических процессов, протекающих в системах добычи парогидротермальных флюидов.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.Петербург /.у«

Объектом исследования в настоящей работе является геотермальный флюид, находящийся в' пароводяном состоянии. Предметом исследования является пароводяное течение на промыслах при добыче геотермальных флюидов.

Работа выполнялась по государственной научно-технической программе «Дальний Восток России» по теме «Разработка пакета прикладных программ для решения задач динамики пароводяного потока при освоении геотермальных месторождений» (1997-1998 гг.), инициативному проекту РФФИ «Экспериментальное и математическое моделирование процессов фазы направленного взрыва при вулканических извержениях» (1998-1999 гг.), госбюджетной теме КамчатГТУ «Исследование динамики гетерогенных сред применительно к эколого-хозяйственным проблемам Камчатской области» (1997-2002 гг.), хозяйственным договорам с ЭНИН и ЦКТИ (1989-1992 гг.) на экспериментальные исследования пароводяного течения в элементах промыслового оборудования, хозяйственному договору с Паратунской гидрогеологической экспедицией ПО «Камчатгеология» (1991-1993 гг.) на разработку методов измерения расходных параметров пароводяной смеси.

Цель работы: разработать методический аппарат для определения параметров пароводяных течений при выборе рациональных схем эксплуатации и проектировании промысла парогидротермальных месторождений.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Разработка теоретических основ для описания пароводяных течений в элементах оборудования парогидротермальных промыслов.

2. Создание метода измерения расходных параметров пароводяной смеси при эксплуатации геотермального промысла с двухфазным транспортом теплоносителя, а также повышение эффективности оценки расходных параметров пароводяных скважин при пробном выпуске.

3. Разработка методических основ для определения параметров систем транспорта пароводяной смеси, включая определение условий беспульсационного режима работы, оценку гидроударной опасности, определение потерь давления на линейных участках и местных сопротивлениях.

4. Описание термогидродинамических процессов, протекающих при возбуждении пароводяных скважин с применением мгновенной декомпрессии.

5. Разработка модели стационарного течения в пароводяной скважине на основе сочетания принципов качественной адекватности и минимизации числа эмпирических зависимостей, а также с использованием структурного подхода к описанию течений.

Идея работы заключается в том, что разработка методического аппарата для расчета пароводяных течений при выборе рациональных схем эксплуатации и проектировании промысла парогидротермальных месторождений осуществляется на базе детального исследования термогидродинамических процессов в соответствующих условиях. В процессе исследования выявлен эффект локальной критичности, оказывающий влияние на структуру потока, и на приложениях данного эффекта создана новая теория для описания пароводяных течений на геотермальных промыслах.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Развитие научных основ рационального освоения геотермальных ресурсов возможно благодаря углублению представлений о пароводяных течениях и явлениях, сопровождающих процессы их формирования. Успех данного развития обеспечивается применением аппаратов гидромеханики и термодинамики.

2. Структура газожидкостных потоков на парогидротермальных промыслах формируется эффектом локальной критичности, который позволяет объяснить особенности истечения пароводяных смесей и близость скоростей фаз в развитом критическом потоке. Данный эффект ограничивает максимальную скорость устойчивого движения жидкой фазы, находящейся в насыщенном состоянии, значением критической скорости движения насыщенной воды.

3. Для определения расходных параметров пароводяных'скважин, в том числе для контроля разработки месторождения при двухфазном транспорте флюида к потребителю, возможно применение стандартной диафрагмы с дополнительным измерением динамического давления. При этом отношение динамического давления и перепада давления на диафрагме определяет фазовый состав смеси.

4. Используя для определения расходных параметров пароводяных скважин широко распространенный метод Р. Джеймса, критический поток целесообразно создавать специальными соплами. При этом необходима корректировка формулы расхода, учитывающая геометрию сопла.

5. Использование эффекта локальной критичности позволяет оценить максимальный размер капель воды в ядре дисперсно-кольцевого потока, внедрить структурный подход при моделировании дисперсно-кольцевых течений, оценить максимальную величину гидравлических ударов и пульсаций давления при транспорте пароводяной смеси, разработать теоретическую модель эмульсионного режима течения в скважине.

Методы исследований включали: анализ отечественной и зарубежной литературы по предмету исследования; экспериментальные исследования пароводяных потоков на опытном стенде «Камчатскэнерго» в диапазоне термогидродинамических параметров (массовое расходное паросодержание от 0.1 до 1.0, расход смеси до 38 кг/с, давление до 10 *

бар), характерном для парогидротермальных промыслов, при разработке методов измерения расходных параметров скважин; теоретическое исследование и компьютерное моделирование течений в скважине и системах транспорта пароводяной смеси.

Научная новизна работы заключается: в разработке методического аппарата для расчета пароводяных течений при эксплуатации и проектировании промысла парогидротермальных месторождений; в обосновании и приложениях эффекта локальной критичности в динамике пароводяной геотермальной смеси.

Получены следующие основные научные результаты:

• Сформулировано положение о возникновении локальной критичности в неоднородных потоках на основе исследования термогидродинамических процессов в газожидкостных средах. Выявлены условия возникновения локальной критичности в пароводяном потоке и установлено наличие соответствующего эффекта при течении флюида на парогидротермальных промыслах.

• Развиты приложения эффекта локальной критичности: определены условия и получены формулы для максимального размера капель воды в паровом потоке; разработаны принципы описания дисперсно-кольцевого течения на основе структурного подхода; получены формулы для максимальной величины гидравлических ударов и пульсаций давления в системах транспорта пароводяной смеси; предложены замыкающие зависимости для модели эмульсионного режима течения в скважине и определены условия его существования.

• Разработан метод определения расходных параметров пароводяных скважин для использования при пробных выпусках и при эксплуатации промысла с транспортом пароводяной смеси, основанный на использовании стандартной диафрагмы и дополнительном измерении динамического давления набегающего на диафрагму потока. г

• Разработана математическая модель дисперсно-кольцевого потока в горизонтальном канале, и на основе ее численного исследования предложена методическая база для инженерных расчетов течений в системах транспорта пароводяной смеси от скважин, а также показана возможность перегрева пара в развитом критическом потоке за счет теплообмена с каплями перегретой воды.

• Дано качественное и количественное описание термогидродинамических процессов, протекающих при мгновенной декомпрессии в процессе возбуждения добычных пароводяных скважин. Разработаны принципы моделирования стационарного течения в пароводяных скважинах и модели конкретных режимов течения.

Достоверность научных положений обеспечивается: использованием фундаментальных физических законов в качестве исходных предпосылок для теоретического анализа; использованием законов логики в теоретических исследованиях; корректным применением методов планирования эксперимента, получения и обработки экспериментальных данных; метрологической экспертизой оборудования стенда «Камчатск-энерго»; согласованием расчетных и экспериментальных данных; метрологической экспертизой метода измерения расходных параметров скважин с помощью диафрагмы; теоретическим описанием стадийности режимов критического истечения пароводяной смеси и близости скоростей фаз в развитом критическом потоке, ранее наблюдаемых экспериментально.

Научное значение работы заключается в создании научных основ для описания термогидродинамических процессов при расчете течений флюида на парогидротермальных промыслах, соответствующих современным требованиям, предъявляемым развитием технологий разработки и обустройства промыслов геотермальных месторождений.

Практическое значение работы заключается в создании методов измерения расходных параметров скважин, учитывающих особенности стадий освоения месторождений и схем обустройства промысла. На основании приложений эффекта локальной критичности, аналитического и численного решения задач гидродинамики создана методическая база для инженерного расчета систем транспорта пароводяной смеси от скважин, а также разработаны принципы и модели конкретных режимов течения для расчета стационарных потоков в пароводяных скважинах при разработке месторождений.

Реализация работы. Методические разработки и устройства, созданные на базе рекомендаций настоящей работы, использованы: при проектировании промысла Мутновского месторождения парогидротерм для расчета систем транспорта пароводяной смеси от скважин и для организации измерений расходных параметров смеси с целью контроля режима разработки месторождения; при ог робовании скважин Мутновского месторождения для измерения расходных параметров пароводяных потоков; при разработке Паужетского месторождения парогидротерм для определения расходных параметров пароводяных скважин. Развитые в работе представления о критичности потока как условии

вырождения градиента давления внедрены в учебный процесс Камчат-ГТУ в курсах «Гидромеханика», «Гидравлика и гидропривод» и «Гидравлика».

Апробация работы. Результаты исследования на различных этапах докладывались на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава КамчатГТУ (1991-2002 гг.), на Международном симпозиуме «Проблемы геотермальной энергии» (Санкт-Петербург, 1993 г.), на Второй Международной научно-технической конференции L

«Актуальные проблемы фундаментальных наук» (Москва, 1994 г.), на Мировом геотермальном конгрессе (Италия, Флоренция, 1995 г.), на Геотермальной конференции (США, Портланд, 1996 г.), на семинарах кафедры физики КамчатГТУ (1996, 1997 гг.), на Второй Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1998 г.), на семинарах кафедры теоретической теплотехники ДВГТУ и теплотехники и гидравлики Дальрыбвтуза (2002 г.). По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ.

Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты исследований, выполненных непосредственно автором, в том числе: анализ современного состояния проблемы и постановка задач исследования; планирование и проведение экспериментальных исследований на стенде «Камчатскэнерго»; формулировка и развитие приложений эффекта локальной критичности; разработка методов диафрагмы, двух давлений, трубы критического истечения для измерений расходных параметров пароводяных скважин и обоснование формулы расхода в модификации метода Джеймса; формулировка математических моделей; разработка методической базы для расчета пароводяных течений в скважинах и системах транспорта флюида к потребителю.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 202 наименований, приложений, иллюстрирована 38 рисунками, общий объем - 255 страниц.

Автор выражает признательность Г.В. Секисову, В.Ф. Бойко,

A.C. Латкину и Е.Б. Шевкуну за ценные советы и поддержку в проведении исследований. За сотрудничество при проведении экспериментальных работ на стенде «Камчатскэнерго» автор благодарит

B.И. Алексеева и Д.П. Усачева. Материалы диссертации обсуждались с М.А. Алидибировым, М.А. Готовским, Р. Джеймсом, A.B. Кирюхиным,

C.B. Остапенко, Р.И. Пашкевичем, Б.И. Рудневым, Ю.Б. Слезиным, ^ И.И. Степановым, А.Н. Штымом, A.A. Юдаковым, которым автор выражает благодарность за полезные советы.

Основное содержание работы

В первой главе проведен анализ современного состояния и тенденций развития практического освоения геотермальных месторождений, указывающий на актуальность вопросов, относящихся к пароводяному течению на промыслах. Проведен анализ изученности данных вопросов и сформулированы задачи исследования.

Энергетический кризис 70-х годов привлек внимание к геотермальным ресурсам как альтернативному источнику энергии, особенно в электроэнергетике. Однако достаточно быстро выяснилось, что в природе пока не обнаружено бесплатных источников энергии, и тепло Земли в этом ряду не исключение. Стабилизация нефтяного рынка привела к снижению темпов роста установленных мощностей ГеоТЭС, но в 80-х годах наметилось очередное усиление внимания к геотермальным ресурсам, продолжающееся по сей день и связанное с формированием в обществе новых геоэкологических течений. Все очевиднее становится исчерпаемость традиционных видов топлива, все острее проявляются экологические проблемы топливно-энергетического комплекса.

Интерес к геотермальным ресурсам не ограничивается электроэнергетикой. Издавна горячие воды земных недр используются в бальнеологии и для теплоснабжения жилых и производственных помещений. В этих направлениях имеет место устойчивый рост объемов потребления термальных вод. Кроме того, в последнее время геотермальные флюиды привлекают внимание исследователей как источник ценных химических компонентов и соединений, извлечение которых может дать даже больший экономический эффект по сравнению с извлечением тепла, а также как реагент в технологических процессах химических производств. Таким образом, можно выделить три направления использования геотермальных флюидов: энергетика, включающая электроснабжение и теплоснабжение; химические производства, включающие использование в качестве сырья и реагента; рекреация, включающая бальнеологию и туризм.

Освоение геотермальных ресурсов невозможно без соответствующих научных основ, в разработку которых заметный вклад внесли ученые России. Проблемам тепловых потоков, исследованиям геотемпературного поля и оценке геотермальных ресурсов посвящены работы В.И. Кононова, Б.Г. Поляка, И.К. Туезова, В.Д. Епанешникова и др. Вопросы методики изучения, оценки эксплуатационных запасов и разработки геотермальных месторождений - рассмотрены в работах

B.В. Аверь'ева, Э.И. Богуславского, Ю.Д.-Дядькина, A.B. Кирюхина,

C.B. Остапенко, В.М. Сугробова, Ю.М. Парийского и др. Теплотехнические проблемы использования геотермальной энергии рассмотрены в

работах O.A. Поварова, В.А. Федорова, О.О. Мильмана, А.Н. Штыма и др. Вопросам извлечения компонентного состава флюидов посвящены работы Ю.П. Трухина, A.C. Латкина и др.

Как с теплоэнергетической точки зрения, так и с учетом ценности компонентного состава флюидов, наибольший интерес представляют „

высокотемпературные месторождения. Месторождений с максимальными температурами флюида, представляющего в своей основе перегретый водяной пар, в мире не так много, они хорошо изучены и давно освоены. Поэтому для перспективных исследований наибольший интерес представляют парогидротермальные месторождения, глубинные флюиды которых в своей основе содержат либо пароводяную смесь, либо воду, вскипающую по мере течения в стволе скважины. Двухфазное состояние флюида определяет актуальность широкого круга проблем, связанных с газожидкостными течениями. Ряд этих проблем для соответствующих стадий освоения месторождений имеет принципиальный характер. Причем на гидродинамические процессы в данном случае накладываются термодинамические процессы, обуславливающие значительные изменения параметров смеси.

С двухфазными потоками можно столкнуться еще на стадии бурения скважин, если возникает кипение промывочной жидкости. Но все же проблемную постановку вопросы двухфазного течения приобретают после окончания бурения. Опыт показывает, что забойное давление не всегда оказывается достаточным для выдавливания из скважины столба жидкости, изначально находящейся в ней. Вместе с тем если из скважины принудительно удалить изначально находившуюся в ней жидкость, то ее ствол полностью или частично заполняется пароводяной смесью (вследствие поступления из водоносных горизонтов более горячего флюида). Столб флюида в скважине облегчается наличием паровой фазы. Уменьшение гидростатического давления облегченной (пароводяной) среды в стволе скважины обеспечивает дальнейший приток флюида из подземного резервуара, в результате чего скважина часто оказывается способной работать на самоизливе. Режим работы скважин при увеличении расхода за счет облегчения паром флюида в стволе называют "парлифтным". Существует несколько способов возбуждения # (т.е. перевода в режим парлифта) скважин. Все они изучены только качественно и не всегда приводят к желаемому результату. С учетом высокой стоимости бурения каждой скважины, разработка научно- -методических основ технологий возбуждения скважин представляется весьма актуальной.

Ряд проблем относится к измерению расходных параметров пароводяных скважин. Важность данного вопроса очевидна - именно на

этих измерениях основывается подсчет запасов месторождения, проектируется его разработка и наземное оборудование. Сложность заключается в необходимости измерения сразу двух независимых параметров, характеризующих смесь, например расходов пара и воды, расхода воды и паросодержания и т. д. Традиционные методы однофазной гидравлики здесь неприемлемы. Необходима либо комбинация методов, либо разработка специальных методов. Проблемы осложняет многоэтапность опробования скважин: пробный выпуск, опытно-эксплуатационный выпуск и мониторинговые измерения (при эксплуатации), т. к. на каждом этапе предъявляются различные требования к используемым методам.

Одной да ключевых задач, отвечающей за переход от параметров на устье к параметрам резервуара при подсчете запасов и обратный переход при проектировании разработки месторождения, является моделирование потоков в скважинах. С точки зрения гидравлики скважины представляют собой обычно вертикальные, а иногда наклонные круглые трубы, часто телескопической конструкции с увеличением диаметра от забоя до устья. Расчет пароводяных течений является сложной задачей, при решении которой невозможно избежать использования эмпирических формул. Вместе с тем достоверность эмпирических формул, следовательно, и моделей гарантируется только в условиях, соответствующих условиям экспериментов, лежащих в основе получения формул. А экспериментальные исследования в действующих пароводяных скважинах крайне ограничены как в количественном, так и в качественном аспектах. Это обуславливает наличие проблемы — стремление к качественной адекватности моделей вызывает необходимость использования эмпирических формул, а дефицит экспериментальных данных в соответствующих условиях ставит под сомнение количественную адекватность моделей.

Первые схемы обустройства промыслов парогидротермальных месторождений предусматривали сепарацию на устье и раздельный транспорт пара и воды. В последнее время все чаще прибегают к транспорту теплоносителя в виде пароводяной смеси, повышающему экологичность и эффективность использования ресурсов. В этой связи возникла проблема расчета пароводяных течений в наземных трубопроводах. Данная проблема во многом сходна с предыдущей. Отличие заключается в преимущественно горизонтальной ориентации труб, более широком спектре местных сопротивлений (компенсаторы, клапаны, отводы и т.д.) и возможности наличия сложных трубопроводов.

К вопросам пароводяных течений следует также отнести моделирование геотермальных резервуаров при фильтрации флюида, находящегося в пароводяном состоянии. Подобное моделирование значитель-

но дешевле традиционных методов подсчета запасов и выбора оптимальных схем разработки месторождений, что наряду с развитием компьютерной техники определяет его популярность в последнее время. Вопросам тепломассообмена в геотермальных резервуаров посвящены работы Ю.Д. Дядькина, Г.Н. Забарного, A.B. Кирюхина, С.В.,Остапенко и др., т.е. данное направление хорошо разработано. При этом главные сложности связываются с получением качественной геологической информации относительно моделируемого резервуара.

Пароводяные течения имеют место также в элементах оборудования ГеоТЭС. По способу выработки электроэнергии ГеоТЭС являются обычными тепловыми станциями с присущими им проблемами динамики газожидкостных смесей. Учитывая традиционность оборудования, проблемы данной группы следует считать относительно решенными.

Исключая проблемы оборудования ГеоТЭС и фильтрации, уровень решения которых представляется достаточным, наиболее актуальные вопросы пароводяных течений можно квалифицировать как промысловые, имея в виду их физическую принадлежность к соответствующему оборудованию: скважины, устьевое оборудование и наземные трубопроводы. Отметим, что к геотермальному промыслу относятся добычные и нагнетательные скважины, устьевое оборудование, а также оборудование геотермальной площади, предназначенное для транспорта флюида к потребителю и контроля разработки месторождения (рис. 1). Следует отметить, что по назначению проблемы течений в выделенных элементах оборудования не ограничиваются интересами собственно промысла. Например, моделирование течения в скважинах может использоваться и для исследования параметров резервуара, т.е. на стадии разведки месторождений, и для выбора рациональных режимов эксплуатации подземного резервуара, т.е. на стадии проектирования разработки. Разумеется, интересы промысла имеют наибольшую связь с данными проблемами.

Анализ состояния исследований пароводяных течений в геотермальных скважинах показал отсутствие работ, посвященных термогидродинамическим процессам, протекающим при возбуждении. Учитывая, что основой технологий возбуждения скважин является их мгновенная декомпрессия, поставлена задача - исследование термогидродинамических процессов, протекающих при возбуждении пароводяных скважин с применением мгновенной декомпрессии. Вопросы расчета стационарных газожидкостных течений в скважинах рассматривались в работах В.Ф. Бойко, T.JI. Голда, Р. Джеймса, В.А. Дрознина, М. Натенсона, А. Палачио, М. Тачимори, С.П. Уптона, Дж.В. Элдера и др. Однако использование в моделях эмпирических формул, полученных в специфи-

ческих условиях, всякий раз применительно к новым месторождениям требует обоснования правомерности использования той или иной модели. Кроме того, традиционно используемый интегральный метод описания течений практически исчерпал свои возможности. Вместе с тем значительный объем исследований, прежде всего экспериментальных, по отдельным режимам течения открывает перспективы для использования структурного подхода, позволяющего сочетать достоинства интегрального и дифференциального методов. Поэтому актуальным вопросом остается создание модели стационарного течения в скважине на основе сочетания принципов качественной адекватности и минимизации числа эмпирических зависимостей.

4

Рис. 1. Схема эксплуатации геотермального месторождения: 1 — добычная скважина; 2 — оборудование для измерения расходных параметров; 3 - трубопровод для транспорта флюида; 4 - потребитель; 5 - водовод закачки; 6 - нагнетательная скважина; 7 — зона естественной разгрузки; 8 - зона поступления метеорных вод ■ 9 - непроницаемые породы; 10 — проницаемые породы; 11 — зона теплового питания (конвекция ювенильного флюида или кондуктивнь'й тепловой поток)

Методам измерения расходных параметров пароводяных скважин посвящены работы Р. Джеймса, В.И. Алексеева, Т.Н. Нарасимхана, С.Дж. Банвелла, Д. Чиоппи и др. Несмотря на множество работ, имеется ряд вопросов по практической реализации методов для конкретных этапов освоения месторождений. В частности, существующие методы неэффективны при пробном выпуске и при эксплуатации месторождений

с транспортом пароводяной смеси, существует проблема солевого заноса оборудования при реализации методов, использующих критический режим истечения. С учетом этого поставлена задача - создание эффективных методов оценки расходных параметров скважин при пробном выпуске и измерения расходных параметров пароводяной смеси при эксплуатации промысла с двухфазным транспортом, а также совершенствование технологий реализации существующих методов.

По вопросам транспорта пароводяной геотермальной смеси следует отметить работы E.H. Гольдберга и М.А. Готовского, в которых авторы, основываясь на гомогенной модели, сделали акцент на экспериментальные исследования. В результате ряд явлений, выходящих за рамки гомогенной модели, остался без рассмотрения. Например, не решен вопрос о величине пульсаций давления и возможных гидравлических ударов, не дано объяснение гидравлическому кризису. В этой связи поставлена задача - разработка методической базы для расчета систем транспорта пароводяной смеси от скважин, включая определение условий беспульсационного режима работы, оценку гидроударной опасности, определение потерь давления на линейных участках и местных сопротивлениях.

Во второй главе рассматривается теоретическая основа описания газожидкостных течений. Даны основные понятия и определения параметров, используемые для характеристики газожидкостной смеси, проведен анализ методов описания течений.

Экспериментальными исследованиями установлено большое количество структур газожидкостного течения. Учитывая многообразие наблюдаемых структур потока, а также имеющую место неоднозначность в использовании конкретных терминов, ограничимся рассмотрением основных, при этом остальные структуры могут рассматриваться как частный случай или комбинация основных. Для вертикальных труб основными структурами являются: пузырьковая, снарядная, эмульсионная и дисперсно-кольцевая. Для горизонтальных труб к указанным структурам добавляется расслоенная (рис. 2).

До настоящего времени механизм смены структур течения изучен слабо. Вместе с тем особенности структуры течения часто требуют использования специфических методов и формул при расчете параметров газожидкостного потока. Для определения структуры течения при осуществлении расчетов широкое распространение получили карты структур, графически обобщающие экспериментальные данные и дающие наглядное представление об областях существования структур в зависимости от легко контролируемых параметров потока. Практическое использование карт требует соответствия условий решаемой задачи ус-

ловиям экспериментов, лежащих в основе получения применяемых карт. Однако доказательство подобного соответствия само по себе является, как правило, непростой задачей. Во-первых, газожидкостный поток характеризуется большим числом гидродинамических и теплофизи-ческих параметров. Во-вторых, структуры течения зависят от конструктивных параметров, таких как характерный размер сечения, длина стабилизационного участка, и параметров, характеризующих условия ввода или образования фаз. Следовательно, возможно огромное количество комбинаций гидродинамических, теплофизических и конструктивных параметров, поэтому обычно вопрос ставится лишь о частичном соответствии и о правомерности использования результатов ранее проведенных экспериментов применительно к условиям решаемой задачи.

д) г) - дисперсно-кольцевая; д) - расслоенная

Для определения границ существования структур течения более перспективным представляется использование рекомендаций, основанных на конкретных физических моделях. Например, предложенное Дж. Хьюиттом представление условия поворота потока как критерия нарушения структуры восходящего кольцевого течения. В этом случае достоверность полученных результатов будет определяться не условиями экспериментов, а адекватностью модели и исследуемого процесса.

Ключевым параметром, характеризующим газожидкостную смесь и дающим количественную оценку фазового состава, является газосодержание (для пароводяной смеси используется термин "паросодержание"). В динамике газожидкостного потока обычно различают три параметра, относящихся к газосодержанию: истинное объемное газосодержание, объемное расходное газосодержание и массовое расходное газосодержание. В настоящей работе данные параметры определяются как

<ау"> „ < dQ"> <ёС'> ...

У= ... . Р= , х= , (1)

dV < dQ > < dG >

где ф - истинное объемное газосодержание; dV и <ёУ'> - элементарный представительный объем и усредненный по времени объем газа в нем; (3 - объемное расходное газосодержание; и - средние

по времени объемные расходы газа и смеси через элементарную площадку; х - массовое расходное газосодержание; и — средние по времени массовые расходы газа и смеси через элементарную площадку.

Плотностью и удельной энтальпией смеси называются параметры, определяемые соотношениями:

р = —, Ь = Ь"х + Ь'(1-х), (2)

где р — плотность смеси, dm - масса (усредненная по времени) вещества в представительном объеме, Ь, И" и Ь' - удельные энтальпии смеси, газа и жидкости.

Разность одноименных проекций скоростей фаз называется скольжением (в данном ¡-м направлении), а их отношение - коэффициентом скольжения:

5,=^-, (3)

V,-

где уот! и в, - скольжение и коэффициент скольжения фаз.

Обычно направления векторов скоростей фаз совпадают. В этом случае коэффициент скольжения не зависит от направления и равен отношению модулей скоростей. Используя основные определения, устанавливается взаимосвязь параметров

хр' хр'

где - коэффициент скольжения фаз по нормали к рассматриваемой площади сечения потока.

Существует два метода описания течений: интегральный и дифференциальный. В первом случае исходные балансовые соотношения записываются для представительного объема, ограниченного полным сечением канала. Во втором балансовые соотношения записываются для представительного элементарного объема движущейся среды, характерный размер которого намного меньше размера канала, и получаемые уравнения не учитывают форму и размеры канала. Учет геометрии канала производится на этапе решения полученных уравнений путем вве-

дения соответствующих граничных условий. На практике обычно оперируют интегральными параметрами, такими как массовые и объемные расходы в канале. Поэтому интегральный метод получил большее практическое распространение.

Существуют также различия в реализации указанных методов. В первом случае балансовые уравнения записываются для двухфазной смеси в целом, во втором случае - для каждой фазы в отдельности. Первый случай представляется предпочтительным, т.к. не требует определения дополнительных членов на межфазное взаимодействие внутри представительного объема, которое в большинстве случаев проблематично (хотя бы из-за незнания локальных параметров среды). Предпочтительность того или иного метода и способа его реализации — вопрос каждой конкретной задачи и решается исходя из ее условий.

Богатый экспериментальный материал, накопленный за последние годы, существенно расширил представления о газожидкостных потоках. Наличие информации, конкретизирующей структуру потока, обуславливает возрастание популярности структурного подхода, заключающегося в отдельном анализе динамики элементов потока конкретной структуры. Например, для дисперсно-кольцевой структуры такими элементами могут служить жидкая пленка и дисперсное ядро, для снарядной - жидкая (или с газовыми пузырьками) перемычка между снарядами, газовый снаряд и жидкая пленка, находящаяся на боковой поверхности снаряда. Причем не обязательно при описании движения отдельных элементов использовать единый метод, т.к. структурный подход позволяет сочетать достоинства методов. Практическое использование данного подхода требует выявления физических механизмов, формирующих конкретные структуры, т.е. более детального изучения физических процессов, сопровождающих конкретный вид течения.

В третьей главе приведены результаты исследования критического пароводяного потока. Развиты общие представления о критичности потоков, определен эффект локальной критичности, формирующий структуру потока, получены аналитические выражения для скорости критического потока при отсутствии скольжения; исследованы условия возникновения критичности в пароводяном потоке и установлено наличие элементов критичности в пароводяных потоках при добыче геотермального флюида.

Применительно к однофазным средам критичность ассоциируется с достижением потоком скорости звука. Для пароводяных сред акустика является непростым для трактовки предметом, и такая ассоциация не объясняет сути явления. Кроме того, при истечении пароводяной смеси по мере снижения противодавления практически наблюдается несколь-

ко стадий критичности. На первой стадии наблюдается независимость массового расхода от противодавления при равенстве последнего и давления истечения. На второй стадии давление истечения начинает превышать противодавление, но все еще испытывает зависимость от него. Третья стадия характеризуется полной независимостью параметров ис- «

течения от противодавления.

В настоящей работе под критическими понимаются течения, в которых параметры не зависят от градиента давления (т.е. критические по градиенту давления). В таких потоках попытка изменить параметры снижением давления вниз по потоку приводит к формированию поверхности слабого разрыва (модуль градиента давления устремляется к оо), что практически выражается наличием скачка давления.

В неоднородных средах следует ожидать неравномерного достижения условий критичности в сечении потока. Если в некоторый момент времени в локальной части "А" сечения потока (рис. 3) скорости фаз достигли предельных значений и установился критический режим, снижение давления вниз по потоку приведет к падению давления в рассматриваемом сечении, исключая область "А", в которой давление должно остаться неизменным. В результате на границе области "А" должен сформироваться скачок давления. Как следствие, возникают поперечные по отношению к начальному движению локальные потоки массы из области "А" в смежные области. При этом область зарождения критичности смещается вверх по потоку, а область критического потока расширяется ("В", рис. 3).

Локальное достижение условий существования критического потока, приводящее к возникновению локальных поперечных градиентов давления и потоков массы, характеризуется как эффект локальной критичности. Данный эффект, вызывая перераспределение массы по сечению, формирует структуру потока.

Эффект локальной критичности проливает свет на наличие стадийности критического истечения пароводяной смеси. Первую стадию можно связать с доминированием в выходном сечении критического потока. При этом снижение противодавления приводит к перераспределению массы по сечению и снижению давления в выходном сечении. Вторую стадию можно связать с нестабильной реализацией условий критического потока во всем выходном сечении или с реализацией условия критичности в точке отбора давления. И, наконец, третья стадия характеризуется наличием непрерывного во времени критического потока во всем выходном сечении.

Теоретическое объяснение стадийности критического истечения указывает на действенность рассматриваемого эффекта. Еще одним аргументом в пользу его действенности является степень гомогенизации потока в последней стадии. Интенсивные локальные поперечные потоки массы, вызванные рассматриваемым эффектом, способствуют перемешиванию смеси, и в последней стадии следует ожидать предельной гомогенизации, т.е. близости скоростей фаз. На рис. 4 приведено сравнение измерений динамического давления, выполненных Р. Джеймсом, с расчетом по гомогенной модели, а также по наиболее известным моделям со скольжением фаз. Видно, что модели со скольжением дают значительно меньшие динамические давления, ни качественно (по зависимости от энтальпии), ни количественно не согласующиеся с экспериментальными данными, и только гомогенная модель дает сопоставимый результат.

При освоении парогеотермальных месторождений понятие "критический поток" относится к его третьей стадии, характеризуемой близостью скоростей фаз. Это обстоятельство делает возможным принятие положения о равенстве скоростей фаз. В свою очередь данное положение при условии наличия разрыва градиента давления позволяет получить аналитическое выражение для скорости:

, ар" . с1р' 2/1 р" (1-х) ёр" р"ёр\ ар ар р х ар рар

гх ар ар р

(5)

где г - удельная теплота фазового перехода (г = Ь" - Ь').

Формула (5) является аналитическим выражением для критической скорости, соответствующей гомогенной модели. При определении термодинамических параметров по уравнениям насыщенного состояния воды и водяного пара полученное значение скорости будет соответствовать гомогенной равновесной модели. Отметим, что ранее реализация

гомогенной равновесной модели считалась возможной только путем последовательных приближений, или графоаналитическим методом.

2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 О

Рд.бар

кДж/кг

Рис. 4. Зависимость динамического давления от энтальпии заторможенного потока для давления истечения 2 бара:

1 - модель Муди;

2 - модель Фауске;

3 - гомогенная модель;

4 — эксперимент

500 1000 1500 2000 2500 3000

При отсутствии фазового перехода (гомогенная метастабильная модель) выражение для скорости упрощается

_ л/х I ёр

(6)

Величина у/бр/бр" определяет скорость распространения слабых

возмущений (звука) в газовой фазе.

Эффект локальной критичности наряду с гравитацией, поверхностным натяжением и инерцией является фактором, формирующим структуру потока. Поэтому важно определить условия возникновения данного эффекта. В общем случае локальность подразумевает как пространственную ограниченность, так и ограниченность рассматриваемого промежутка времени. Последнее обстоятельство обязывает уйти от использования осредненных по времени параметров и использовать текущие значения. Присутствие двух фаз в элементарном объеме с точки зрения текущего рассмотрения возможно только на межфазной границе, причем на этой границе, следуя гипотезе прилипания, возможно принятие равенства скоростей фаз. Следовательно, анализ возникновения локальной критичности возможен в соответствии с гомогенной моделью, которой соответствует формула (5). Причем при зарождении локальной критичности следует ожидать малых скоростей течения, градиентов давления и, как следствие, малых скоростей снижения давления в движущемся объеме. Это обосновывает положение о термодинамическом равновесии фаз. На рис. 5 представлена зависимость расчетов по фор-

муле (5) от паросодержания при условии термодинамического равновесия фаз.

Рис. 5. Зависимость скорости критического пароводяного потока (гомогенная равновесная модель) от массового расходного паросодержания

Представленные графики указывают на устойчивое стремление скорости к минимальному значению при уменьшении паросодержания. В пределе (при х 0) формула (5) преобразуется в формулу, соответствующую критическому движению насыщенной воды:

с1р р"г с!р р'

При давлении 10 бар, характерном для устья добычных скважин, критическая скорость движения насыщенной воды, рассчитанная по формуле (7), не превосходит 10 м/с. Отметим, что характерная скорость течения вблизи устья скважин превосходит 50 м/с, т.е. пароводяные течения при добыче парогидротермального флюида испытывают формирующее влияние эффекта локальной критичности.

В четвертой главе разработаны методы измерения расходных параметров пароводяных добычных скважин и представлены результаты их экспериментального опробования на стенде «Камчатскэнерго» в 19851992 гг.

Для исследования пароводяных потоков на территории Камчатской ТЭЦ-1 был создан опытный стенд, позволяющий проводить экспериментальное исследование в диапазоне параметров: давление - 0.1-1.0 МПа; расход пара - 0-8 кг/с; расход воды - 0-30 кг/с; массовое расходное паросодержание - 0-1. Стенд состоял из трубопроводов подачи перегретого пара (давление 1.0 МПа и температура 250 С) и горячей воды (давление 1.4 МПа и температура 80 С), блоков измерения параметров пара и воды, смесителя, экспериментального участка и блока сброса смеси (рис. 6). Все оборудование и методика проводимых измерений прошли экспертизу в Камчатском центре стандартизации и метрологии.

Максимальная погрешность определения расхода и удельной энтальпии смеси на стенде составляет 3%.

1

3 —

43-

г—>

5 6 7

... ^

Рис. 6. Схема стенда «Камчатск-энерго»: 1,2- водовод и паропровод; 3, 4 - блоки измерения параметров пара и воды; 5 — смеситель; 6 - экспериментальный участок; 7 - устройство сброса

Главным требованием к методам, используемым при пробном выпуске, является удобство их практической реализации. И в этой связи особый интерес представляет критический режим истечения, поскольку технологически простое измерение давления истечения позволяет определить один из искомых расходных параметров смеси. В качестве еще одного параметра, характеризующего смесь, можно использовать отношение давления истечения и давления заторможенного перед сужающим устройством потока. Работы в этом направлении независимо велись на стенде «Камчатскэнерго» (1985-1990 гг.) и Р. Джеймсом (1987 г.). Исследования Р. Джеймса ограничились выявлением качественной зависимости изначально измеряемых давлений и расходных параметров, а в результате обобщения опытных данных на стенде «Камчатскэнерго» разработан метод определения параметров смеси, предполагающий использование в качестве сужающего устройства цилиндрического сопла с острой входной кромкой и отношением длины к диаметру, равным 3. Для определения расхода смеси и массового расходного паросодержания получены эмпирические формулы:

0=6000

¿2Рс

(8)

= 0,5(

0-424)Чу)

(9)

У У

где в - массовый расход смеси, с! - диаметр трубы истечения, рс - давление критического истечения, Ь0 - удельная энтальпия заторможенного потока смеси (сумма удельной энтальпии и удельной кинетической энергии смеси), х0 - массовое расходное паросодержание заторможенного потока; у - отношение давления критического истечения, измеряемого в выходном сечении сопла, и давления заторможенного потока, измеряемого перед входом в сопло.

Связь массового расходного паросодержания заторможенного потока и отношения давлений критического истечения и заторможенного потока по контрольной серии экспериментов, проведенной на стенде

«Камчатскэнерго» в 1990 г. для оценки точности метода, представлена на рис. 7. Среднее квадратичное отклонение расчетных и опытных значений расходов и энтальпии составило 11 и 9% соответственно.

Г 0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.4

0.6

—i— 0.8

1.0

Рис. 7. Зависимость отношения давлений критического истечения и заторможенного потока (у) от массового расходного паросо-держания заторможенного потока (хц): I - эксперимент на стенде «Камчатскэнерго»; 2 - расчет по формуле (9)

0

Неплохие результаты показало опытное опробование метода, основанного на измерении давления критического истечения и перепада давления на некотором расстоянии вверх по потоку. Вследствие интенсивного перемешивания потока, связанного с эффектом локальной критичности, имеет место значительный перепад давления вверх по потоку от выходного сечения, обусловленный увеличением импульса при гомогенизации смеси. Причем на этот перепад существенно влияет фазовый состав смеси, т.е. в комбинации с давлением критического истечения возможно определение расходных параметров смеси на основе данных измерений.

На стенде «Камчатскэнерго» отрабатывались и другие методы с перспективой применения при пробных выпусках. Большой объем экспериментального материала получен по методу, основанному на измерении давления критического истечения и перепада давления на диафрагме, установленной до сопла, создающего критический поток (метод предложен Р. Джеймсом). Однако были установлены значительные погрешности данного метода. Также, следуя предложению Р. Джеймса, предпринимались попытки определить энтальпию смеси по степени раскрытия струи критического истечения в атмосферу, что в комбинации с измерением давления истечения решает поставленную задачу. В целом тенденция к увеличению степени раскрытия струи при снижении энтальпии смеси была подтверждена. Но было установлено, что контуры струи, издалека представляющиеся четкими, вблизи не имеют необходимой для измерений четкости.

При длительных выпусках (опытный и опытно-эксплуатационный выпуски) широкое распространение получил метод Р. Джеймса, осно-

ванный на измерении давления критического истечения и расхода воды, отсепарированной при атмосферном давлении в гасителе, который предназначен прежде всего для глушения шума. Метод предполагает критическое истечение из длинной трубы, что определяет наличие недостатков: узкий диапазон измеряемых расходов и затрудненный контроль солевого заноса канала истечения. Причем смесь при истечении имеет контакт с атмосферным кислородом и приобретает высокую химическую агрессивность, приводящую к быстрому износу гасителя. С учетом этого, при освоении Мутновского месторождения парогидро-терм использовалась модификация данного метода, предполагающая использование сопла для создания критического потока. Установка вставки с соплом на трубе (рис. 8), подводящей смесь к гасителю, позволяет избежать указанных недостатков.

Эксперименты по истечению из сопла показали необходимость корректировки формулы расхода. Формула, предложенная Р. Джеймсом, неадекватно отражает зависимость расхода от энтальпии для короткого сопла. Поэтому в предложенной модификации рекомендуется использовать цилиндрические сопла с острой входной кромкой длиной 3 диаметра, прошедшие большой объем экспериментальных испытаний, и соответствующую им формулу расхода (8).

Заметим, что использование новой формулы расхода значительно упрощает методику определения расходных параметров по сравнению с классическим методом Р. Джеймса. В данной модификации энтальпия смеси определяется на основе изначально измеряемых параметров следующим образом:

Рис. 8. Схема устьевой обвязки скважин Мутновского месторождения при длительных выпусках:

1 - скважина;

2 - вставной участок;

3 - переходник;

4 — гаситель;

5 - диафрагма

6000(12рс

где G'a - расход воды после шумоглушителя, h"a и h'a - удельные энтальпии пара и воды при атмосферном давлении.

Средняя квадратичная погрешность определения расхода и энтальпии смеси при реализации данной модификации составила 4%, что аналогично классическому варианту метода Р. Джеймса. Но возможность устранения технологических недостатков классического варианта определяет предпочтительность предложенной модификации. Анализ методики расчета параметров смеси показал, что в целом метод обладает устойчивостью к погрешностям изначально измеряемых параметров.

В качестве альтернативы методу Р. Джеймса на стенде была исследована возможность определения параметров смеси на основе измерения давления критического истечения и расхода сепарированного пара. Однако данный метод оказался неустойчивым к погрешностям изначально измеряемых параметров, которые слабо характеризуют присутствие воды.

Самым распространенным способом измерения расхода однофазных сред является расчет по перепаду давления на диафрагме. На опытном стенде «Камчатскэнерго» был исследован вопрос использования диафрагм на двухфазных потоках. Сначала экспериментальные данные обрабатывались с использованием формулы расхода, предполагающей, что перепад давления вызван исключительно расходом газовой фазы (рис. 9) (рекомендации П.П. Кремлевского). Как видно из рисунка, данное предположение правомерно при массовых расходных паросодержа-ниях более 0.8. Затем, анализируя факторы, связанные с наличием воды и способные улучшить согласование расчетных и экспериментальных данных при малых паросодержаниях, была получена формула расхода

G = (11)

где G - массовый расход смеси, а и г - коэффициенты расхода и расширения, определяемые согласно действующим нормативным документам по использованию диафрагм, S0 - площадь отверстия диафрагмы, Ар - перепад давления на диафрагме.

Данная формула учитывает уменьшение площади отверстия диафрагмы для прохождения пара за счет наличия жидкой фазы. При этом предполагается, что вся вода тормозится на теле диафрагмы и ускоряется в проходном сечении до скорости, определяемой располагаемым перепадом давления. Зависимость отношения рассчитанных по формуле (11) и опытных расходов от массового расходного паросодержания также представлена на рис. 9.

1.0 -

А I

• 2

х

0.5

0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Анализ экспериментальных данных для диафрагм с большим модулем (отношение площади отверстия к площади сечения трубы) выявил влияние динамического давления набегающего на диафрагму потока на результаты измерений. Динамическое давление существенно зависит от содержания воды, поэтому возникла идея использовать данный параметр для определения фазового состава смеси. Самый простой способ измерения динамического давления набегающего на диафрагму потока заключается в измерении перепада давления между плюсовой точкой стандартного отбора перепада давления на диафрагме и точкой, расположенной на некотором расстоянии вверх по потоку (рис. 10). Экспериментальное исследование распределения давления до диафрагмы выявило минимальные значения на расстоянии около двух диаметров трубы до диафрагмы. С учетом этого для снижения относительной погрешности измерений на фоне пульсаций минусовую точку измерения динамического давления целесообразно располагать на расстоянии двух диаметров трубы до диафрагмы.

Теоретический анализ показал, что отношение динамического давления и перепада давления на диафрагме связано с некоторой функцией паросодержания выражением:

ЛРА Р+ Ар

-П.Г-

Рис. 10. Схема измерения динамического давления

Ар

где Ap,j - динамическое давление набегающего на диафрагму потока; к -коэффициент установки (зависит от способа измерения динамического давления, модуля диафрагмы и коэффициента расхода); f(x) - функция паросодержания.

Опытные значения функции паросодержания, определяемые из формулы (12) подстановкой опытных значений параметров, представлены на рис. 11. На этом же рисунке представлен расчет по формуле:

(13)

Рис. 11. Функция /(х): 1 - экспериментальные значения; 2 —расчет по формуле (13)

Из формулы (12), используя выражение (13), получим формулу, определяющую массовое расходное паросодержание на основании измеренных перепадов давлений:

kszAp APd

(14)

Расход смеси определяется по формуле (11) с учетом вычета дополнительного динамического давления из перепада давления на диафрагме. Анализ расхождения результатов расчетов с опытными данными показал среднее квадратичное отклонение для массового расхода смеси - 3.7%, энтальпии смеси - 3.0%, массового расхода пара - 1.4%. Высокая точность в сочетании с простотой реализации позволяют рекомендовать метод диафрагмы как на стадии эксплуатации, так и при пробных и длительных выпусках. Данный метод прошел экспертизу в Камчатском центре стандартизации и метрологии и рекомендован к использованию в пределах региональных полномочий центра при освоении парогидротермальных месторождений Камчатки.

В общем, измерение расходных параметров пароводяных скважин при пробном выпуске и при эксплуатации промысла с транспортом па-

роводяной смеси рекомендуется осуществлять по методу двух перепадов на диафрагме. В случае сепарации на устье проблема измерения параметров смеси решается раздельным измерением расходов фаз. При длительных выпусках целесообразно использовать модификацию метода Джеймса, предполагающую применение сопла для создания критического потока.

В пятой главе представлены результаты исследования термогидродинамических процессов, протекающих в системах транспорта пароводяной смеси на геотермальных промыслах, и на их основе разработана методическая база для расчета течений в указанных системах.

Стремление к снижению уровня пульсаций в трубопроводах транспорта пароводяной смеси на геотермальных промыслах требует наличия дисперсно-кольцевой структуры течения. Капли в ядре потока имеют скорость, значительно превосходящую критическую скорость движения насыщенной воды. Для достижения каплями высоких скоростей и предотвращения их разрушения вследствие эффекта локальной критичности необходимо наличие фактора, сдерживающего фазовый переход. Таким фактором выступает поверхностное натяжение, создающее дополнительное давление в капле, переводящее воду в недогретое состояние. Равенство дополнительного давления и изменения давления в несущей фазе, происходящего за среднее время взаимодействия между каплями, позволяет оценить средний размер капель г \05

а =

бУ2стуб(1-Фя) Ф

дъ

если Л,, <

Зл/2(1-Фя)'

а -

2стук

др дг

(15)

(16)

Ук-

где а - радиус капли, Уб - скорость хаотического движения капель, скорость поступательного движения капель, <ря - истинное объемное паросодержание в ядре, а - коэффициент поверхностного натяжения,

Ф

дг

- модуль градиента давления, Я, - радиус ядра.

Стабильная структура потока дисперсно-кольцевого режима обуславливает привлекательность структурного подхода к его описанию, выраженному в отдельном анализе динамики пленки и ядра потока. При этом, учитывая высокие скорости потока в ядре (выше 30 м/с), низкие давления (не более 10 бар), на границе пленка-ядро следует принять

скорость, равной критической скорости движения насыщенной воды, определяемой формулой (7). Для пленки использован дифференциальный метод описания движения. Основным уравнением для пленки является выражение для касательного напряжения:

где т - касательное напряжение в пленке, ц' - коэффициент динамической вязкости воды, у - координата по нормали к стенке, т^б - турбулентная составляющая касательного напряжения.

Движение ядра описывалось интегральным методом в рамках гомогенной модели. Использовались следующие уравнения движения и энергии:

(1уя 2тг уя-уг <Юя с!р ....

р V ———+ --- =—-, (18)

Ря я dz Яя пЯ] dz dz,

и 2

г п Л

^я 2 — Уя в "

(19)

где Оя - массовый расход смеси в ядре, О - общий расход смеси в трубе, тг — касательное напряжение на границе пленка-ядро, уг - скорость границы пленка-ядро, где уя - скорость ядра, Ь - удельная энтальпия смеси.

Расчет параметров дисперсно-кольцевых течений по предложенным формулам в условиях, характерных для систем транспорта пароводяного геотермального теплоносителя, показал: расход в пленке мал по сравнению с расходом воды в ядре; изменение давления в основном определяется трением на границе пленка-ядро; коэффициент трения близок к 0.02; изменения энтальпии смеси малы. Указанные условия позволяют свести гидравлический расчет к рассмотрению динамики ядра, фактически распространяя положение о гомогенности на поток в целом и используя формулы однофазной гидравлики, с учетом движения поверхности трения со скоростью уг. Таким образом, для приближенного гидравлического расчета рекомендуется простая формула:

ёр _ 0.02рсм(усм -уг)2

dz 4Я

где рсм и у;м - плотность и скорость смеси, соответствующие гомогенной модели, Я - радиус трубы.

Необходимость прогноза максимальной производительности скважин при планировании объемов буровых работ и обоснование дешевых и надежных методов измерения параметров теплоносителя обуславливает актуальность исследования высокоскоростного пароводяного тече-

ния. В задачах практической геотермии критическому истечению предшествует дисперсно-кольцевая структура течения. Известно, что в настоящее время достаточно убедительной модели критического потока не существует. Вместе с тем адекватная модель обычного потока при высоких скоростях обнаруживает разрыв градиента давления, указывающий на наличие критического потока. Когда речь идет о высокоскоростных потоках, определяющими следует считать силы инерции, давления и трения, т.е. силами гравитации можно пренебречь. Поэтому в качестве базы для исследований использовалась разработанная модель дисперсно-кольцевого течения в горизонтальной трубе.

Данная модель при условии термодинамического равновесия фаз показала результаты, соответствующие известной гомогенной равновесной модели, для которой ранее было получено выражение (5). А учет перегрева воды в каплях приблизил расчеты к известной гомогенной метастабильной модели, описываемой формулой (6). И все расчеты оказались далеки от фактических данных. Но проведенные исследования указали путь для совершенствования модели критического потока - это учет перегрева пара. Заметим, что гипотеза о наличии перегрева пара в критическом потоке высказывалась и ранее, поскольку среда, по параметрам соответствующая насыщенному или слегка увлажненному пару, ведет себя как перегретый пар. Но эта гипотеза рассматривалась скорее как некое курьезное совпадение. Расчеты показали, что в обычных потоках размер капель характеризуется порядком Ю^-Ю"4 м, а в околокритических потоках размер капель уменьшается до величин порядка Ю^-Ю"6 м. Капли, имеющие относительный перегрев, при таких размерах имеют площадь контакта с 1 кг пара порядка 103— I О4 м2. Эти оценки указывают на реальность перегрева пара вследствие теплоотдачи от капель.

Создание основ расчета трубопроводов пароводяной смеси предполагает решение следующих частных задач: определение условий бес-пульсационного режима эксплуатации трубопровода; выработка рекомендаций для оценки динамических нагрузок на трубопровод, связанных с нестационарными процессами при транспорте смеси; разработка методики расчета перепадов давления на линейных участках трубопроводов; разработка методики расчета перепадов давления на местных сопротивлениях. В конкретных случаях расчета трубопроводов, основанного на решениях указанных задач, могут возникать дополнительные методические сложности. Например, при проектировании трубопровода с заданным давлением на выходе, определяемым условием потребителя, необходимо согласование давления на входе, т.е. на устье, с фактическим графиком производительности скважины.

Предполагая, что вследствие эффекта локальной критичности скорость жидкой воды при отсутствии факторов, сдерживающих фазовый переход, не может превышать критическую скорость движения насыщенной воды, получены формулы для оценки максимальной величины гидроударов на местных сопротивлениях и пульсаций давления:

Друд=р'у'сс\ ДРп=^-, (21)

где Аруд - величина повышения давления, р' - плотность воды, у'с -максимальная скорость жидкой фазы, определяемая формулой (7), с' -скорость звука в жидкой фазе, Дрл - величина пульсаций давления.

Для расчета линейного перепада давления рекомендованы формула (20) и пренебрежение составляющими градиента давления на ускорение и гравитацию. Для местных сопротивлений рекомендуется использование методики ЦКТИ, основанной на обобщении опытных данных на стенде «Камчатскэнерго».

В шестой главе исследуются термогидродинамические процессы в пароводяных скважинах, протекающие в процессе возбуждения. Рассмотрены особенности статического состояния и предложена методика определения забойного давления в неработающих скважинах, исследованы процессы при мгновенной декомпрессии и условия устойчивого режима работы, а также даны рекомендации по возбуждению пароводяных скважин.

Отправной точкой в любой технологии возбуждения пароводяной скважины является статическое состояние, в котором уровень воды на протяжении длительного времени находится в относительно стабильном положении ниже устья. Также статическое состояние вызывает практический интерес при исследовании реакции наблюдательных скважин в процессе выпусков, на основании чего определяются параметры геотермального резервуара. При этом понятие статичности является условным, т.к. в скважине протекают сложные термодинамические процессы. Во-первых, имеет место свободная конвекция, обусловленная увеличением температуры воды с глубиной (на забое температура соответствует условиям резервуара, а в верхней части столба температура не может превышать температуру насыщения при атмосферном давлении). Кроме того, возможен значительный приток тепла от окружающих скважину пород, увеличивающий температуру воды вблизи стенки и также приводящий к возникновению свободной конвекции. Во-вторых, поднятие вследствие конвекции горячей воды вверх, где давление меньше, чем на глубине, способствует вскипанию воды.

Статическое состояние может быть реализовано при открытой устьевой задвижке, когда давление в верхней части столба воды в пер-

вом приближении равно атмосферному, и при закрытой устьевой задвижке, когда давление в верхней части столба может значительно превышать атмосферное. За основу дальнейшего изучения возьмем второй случай, считая его общим, допускающим любые значения давления в верхней части столба воды, в том числе и атмосферное.

Отсутствие возможности выхода пара при закрытой устьевой задвижке сдерживает фазовый переход в столбе воды, и парение заменяется ростом устьевого давления. Наличие свободной конвекции приводит к образованию в верхней части столба воды участка насыщенного состояния, причем заторможенность фазового перехода способствует снижению присутствия в нем пара. Таким образом, в верхней части столба воды имеется участок насыщенного состояния с минимальным содержанием пара, ниже которого температура воды, достигнув максимального (пластового) значения, остается относительно постоянной.

Для верхнего участка получена зависимость давления и глубины:

1 = 2.58

л/р0-105 -л/р-105

^ 0 0.079

958-0.079д/р0 -105 958 —0.079д/р —105

(22)

где р0 - давление на верхнем уровне воды.

Зная протяженность газового участка, определяя из формулы (22) протяженность верхнего водяного участка подстановкой давления насыщения при забойной температуре и учитывая относительное постоянство плотности воды на нижнем участке, нетрудно определить забойное давление.

В действительности, особенно при открытом устье скважины, возможно кипение в столбе воды, что существенно усложняет задачу по выявлению распределения давления с глубиной. Заметим, что унос пара, характеризующегося малым содержанием растворенных солей и присутствием летучих компонентов, способен существенно изменить химический состав флюида в неработающей скважине. Следует также отметить, что конвекция, даже при отсутствии кипения, способна изменить состав воды, т.к. по мере всплытия изменяются давление и температура, которые влияют на растворимость компонентов, что может вызвать выделение солей и летучих компонентов. Поэтому нельзя использовать отбор проб в простаивающей скважине для характеристики химического состава флюида в геотермальном резервуаре. Также следует иметь в виду, что вывод скважины из рабочего режима не способствует ее лучшей сохранности. В простаивающей скважине протекают сложные термодинамические и химические процессы, приводящие к ее износу. Более того, если устье скважины открыто, в нее возможно поступле-

ние атмосферного кислорода, интенсифицирующего процессы коррозии обсадных колонн и устьевого оборудования.

Большинство технологий возбуждения скважин основаны на мгновенной декомпрессии жидкости с фазовым переходом. Теоретическое исследование мгновенной декомпрессии указало на наличие двух стадий. На первой стадии формируются два фронта - первичного падения давления (до давления кипения) и кипение (рис. 12). При этом для скорости воды в области 2 и скорости перемещения фронта кипения имеем:

у'=

Ро-Рк

(23)

РУф!

где V' - скорость движения воды в области 2, р0 - начальное давление в сосуде, рк - давление кипения воды, р' - плотность воды, уФ| - скорость распространения упругих возмущений в сосуде с жидкостью (скорость движения фронта первичной декомпрессии Ф,), \ф2 - скорость движения фронта кипения Ф2, у'с - критическая скорость движения вскипающей воды, определяемая формулой (7).

Ф,

■ Фт

О

—" о_к

1 2

ро Рк о О

° О

Рис. 12. Фронты первичной декомпрессии Ф/ и кипения Ф2: 1 — область недогретой воды с нулевой скоростью; 2 - область метастабильного (насыщенного) состояния воды; 3 — область двухфазного течения

На второй стадии фронт первичной декомпрессии, отражаясь от дна скважины, преобразуется во фронт донного кипения. При этом для скорости фронта донного кипения, плотности смеси и истинного объемного паросодержания в области донного кипения получены формулы:

^ФЗ = У'с + V', р = р'(1--Ц-) , ф = • 1

V

О V

р V

(24)

где уФЗ - скорость движения фронта донного кипения.

А в случае удовлетворения условия р0-рк ^ Р'уФ1у'с в скважине будет наблюдаться только донное кипение.

С учетом высокой стоимости бурения после его окончания весьма актуальны вопросы: какова наилучшая технология возбуждения, способная достичь желаемого результата, и возможно ли возбуждение скважины вообще? Окончательный ответ на поставленные вопросы дает только практика. При этом необходимо иметь в виду, что возбуждение является серьезным испытанием ппя кпнгтрук-пии щ-пя-жгины подвер-

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С. Петербург ОЭ 100 акт

жи

м

гающейся значительным тепловым и гидродинамическим нагрузкам. Скважины, представляющие собой прямую трубу длиной нередко более 1 км, в процессе возбуждения прогреваются более чем на 100 С. Тепловое расширение, так же как и гидравлические удары, сопровождающие установление гидродинамического режима, обуславливает большие нагрузки на металл обсадных колонн и бетон затрубного пространства. Поэтому важно свести до минимума количество попыток возбуждения.

Если имеет место парение на устье открытой скважины, что указывает на кипение в столбе воды, для возбуждения следует применять метод прогрева, а если парения нет - метод выдавливания в коллектор. Отсутствие результата при первой попытке не означает отсутствие перспектив для дальнейшего использования скважины. Неудача первых попыток возбуждения может быть связана с технологией проходки продуктивных зон, частично закупоренных буровым раствором. Продолжение попыток увеличивает вероятность промывки призабойной зоны. Также не исключена принципиальная возможность перевода подобной скважины в рабочий режим путем уменьшения ее диаметра. Но при этом надо иметь в виду, что производительность такой скважины будет невелика.

В седьмой главе разработаны принципы построения моделей и предложена методическая основа расчета конкретных структур стационарного пароводяного течения в скважинах.

Моделирование течения в скважинах направлено на решение двух практических задач: определение параметров на забое по результатам измерений на устье и определение параметров на устье по заданным параметрам на забое. Первая задача преследует цель оценки параметров подземного резервуара и относится к стадии геологической разведки, вторая - определение эксплуатационных характеристик скважин при заданном режиме эксплуатации подземного резервуара и относится к стадии проектирования разработки месторождения. Ствол скважины может быть полностью заполнен пароводяной смесью, или в нижней части флюид находится в жидком состоянии, а в верхней части, вследствие вскипания при уменьшении давления, имеет место пароводяное течение. В качестве основного рассматривается второй случай, а первый считается частным случаем (отсутствие водяного участка).

Расчет на водяном участке не имеет принципиальных сложностей. Сложность моделирования связана с наличием пароводяного участка. По мере снятия давления достаточно быстро паровая фаза становится доминирующей по объему. Поэтому в скважине возможно наличие всех основных структур течения. Возможность наличия большого числа структур течения с присущими им особенностями и наиболее подходя-

щим методом описания требует введения в модель дифференциации по структурам течения. Ведение большого количества структур течения усложняет реализацию модели, а также вносит дополнительную неопределенность при проверке ее адекватности на основании сравнения с опытными данными (увеличивается вероятность наличия взаимно компенсирующихся ошибок).

Оценочные расчеты показывают, что расходное объемное паросо-держание начинает превышать 0.9 на первых метрах от уровня начала парообразования. Это указывает на небольшую протяженность участков пузырькозой и снарядной структур. Учитывая данное обстоятельство, целесообразно не разделять структуры течения на пузырьковую и снарядную, а рассматривать их в рамках единой структуры - с малым паро-содержанием. При этом возможные погрешности, вызванные данным упрощением, ввиду малости участка моделирования для общей модели будут несущественны. В отношении эмульсионной структуры следует отметить ее важность, прежде всего, как переходной к дисперсно-кольцевой. Есть основания полагать, что эмульсионное течение является доминирующим по длине пароводяного участка при работе скважины с максимальным рабочим устьевым давлением. По поводу дисперсно-кольцевого течения отметим, что оно доминирует при работе скважин с устьевым давлением, обеспечивающим расход, близкий максимальному. Таким образом, общая модель течения в пароводяной скважине должна учитывать возможность наличия участков с пароводяным и чисто водяным флюидом. На пароводяном участке необходимо предусмотреть возможность течения с малым паросодержанием (пузырьковая и снарядная структуры), а также эмульсионного и дисперсно-кольцевого течений.

Решая практические задачи, необходимо иметь в виду, что точность моделей, используемых для определения параметров на забое по измерениям на устье, должна быть максимальной при максимальной точности измерения устьевых параметров. В отношении задачи расчета устьевых параметров по забойным возможно предъявление не столь высоких требований к модели.

Течение с малым паросодержанием целесообразно описывать интегральным методом. Уравнения неразрывности, движения и энергии в данном случае имеют вид:

сЮ = 0, (25)

„ „сЬ-" ч ,<1у' (у"-у')сЮ" с!р 2тс

<Ь в в <Ь Я

где в - массовый расход смеси, у" и у' - скорости пара и воды, р" и р' -плотности пара и воды, <р - истинное объемное паросодержание, т. -вертикальная координата, Я - радиус скважины, р - давление, тс - касательное напряжение на стенке скважины, р - плотность смеси, gz — проекция вектора ускорения свободного падения на ось ъ (для вертикальной трубы при направлении оси ъ вверх = - Ь - удельная энтальпия смеси, qб - плотность теплового потока на стенках скважины, — объемный расход смеси.

Для замыкания модели рекомендуется использовать хорошо известные замыкающие соотношения. В частности, для определения скорости пара, позволяющей определить истинное объемное паросодержание, рекомендуется формула Никлина, а для касательного напряжения выражение, суммирующее напряжения в фазах:

у"= 1 ,2(\у'+\у") + 0.35д/2^К~, тс=т"сф+т'с(1-ф), (28)

где иш'- приведенные скорости пара и воды, т"с и т'с - касательные напряжения на стенке в паровой и жидкой фазах.

Эмульсионное течение, характеризующееся крайней неупорядоченностью структуры, считается наиболее сложным для описания. Но связь неупорядоченности с эффектом локальной критичности радикально меняет ситуацию. Начало эффекта локальной критичности связывается с достижением скорости пара (следовательно, скорости воды в лобовой части пузырьков или снарядов) критической скорости движения насыщенной воды. По мере течения вверх снижается давление, и плотность пароводяной смеси уменьшается, что обуславливает тенденцию к увеличению скоростей фаз. При снижении давления критическая скорость движения насыщенной воды, согласно расчету по формуле (7), также снижается. Следовательно, лобовой частью пузыри или снаряды пара будут оказывать силовое воздействие на воду, стремясь придать ей скорость, превышающую критическую. В результате в лобовой части формируется скачок давления, препятствующий росту скорости пара. При этом эффект локальной критичности разрушает характерную межфазную поверхность в лобовой части пузырей или снарядов, оказывая деструктивное воздействие на имевшуюся структуру потока.

Согласно рассмотренному механизму перехода к эмульсионному течению, логично предположить близость скорости пара и критической скорости движения насыщенной воды. Однако поверхности скачкообразного изменения давления, препятствующие росту скорости пара, очевидно, изменят свою значимость, когда паровая фаза станет доминировать по объему, и жидкая фаза уже не будет создавать пробок на все сечение канала. Поэтому эмульсионное течение целесообразно разбить

на две стадии. На первой стадии скорость пара близка к критической скорости движения насыщенной воды, а рост скорости смеси осуществляется за счет увеличения скорости воды. На второй стадии паровая фаза, сливаясь, становится несущей, и ее скорость превышает критическую скорость движения насыщенной воды, а скорость воды близка к последней.

Определение скоростей одной из фаз позволяет, зная расходы, определить скорость другой фазы, т.е. рассмотренный механизм решает проблемы определения условий перехода к эмульсионному течению и расчета скольжения фаз. Учитывая неупорядоченность структуры, данное течение следует описывать интегральным методом, используя уравнения (21) - (23).

Дисперсно-кольцевая структура имеет наибольшее распространение при пароводяном течении в скважинах. Фактически успех решения практических задач разведки и разработки месторождений парогидро-терм, основанных на моделировании потока в скважине, определяется, главным образом, успешным моделированием данной структуры. Общая идеология моделирования данного течения, включая использование эффекта локальной критичности, аналогична ранее рассмотренному дисперсно-кольцевому течению в горизонтальных трубах: использование структурного подхода (отдельный анализ динамики пленки и ядра), принятие равенства скорости на границе тенка-ядро критической скорости движения насыщенной воды. Принципиальным отличием от горизонтальных каналов является необходимость рассмотрения сил гравитации, что для ядра выражается учетом скольжения. При этом специальные исследования показали, что скольжение фаз следует определять по формулам для турбулентного обтекания капель.

Заключение

Настоящая диссертационная работа посвящена решению крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, - разработке методического аппарата для определения параметров пароводяных течений при выборе рациональных схем эксплуатации и проектировании промысла парогидротермальных месторождений на основе комплексного исследования термогидродинамических процессов. Решение этой проблемы связано с внедрением новых, экологически чистых технологий разработки месторождений и соответствующих схем обустройства промыслов для повышения эффективности использования геотермальных ресурсов. Итогом проведенных исследований явились следующие основные результаты:

1. На основе анализа опыта освоения геотермальных месторождений и тенденций в развитии технологий обустройства промыслов и разработки месторождений выделен класс проблем, связанных с течением пароводяной смеси в элементах оборудования промыслов. Анализ современного состояния разработок по выделенным проблемам показал актуальность их решения на основе детального исследования термогидродинамических процессов, протекающих в элементах оборудования парогидротермальных промыслов.

2. На основе аналитической реализации гомогенной модели критического пароводяного потока получены выражения для скоростей, соответствующие условиям термодинамического равновесия фаз и метаста-бильного состояния воды, а .также выражение для критической скорости движения насыщенной вскипающей воды.

3. Сформулировано положение о локальной критичности неоднородного потока и проведен анализ условий ее возникновения, указывающий на наличие элементов критичности в пароводяном потоке при скоростях, характерных для геотермальных промыслов. Дана интерпретация на основе эффекта локальной критичности особенностей (наличие стадий) истечения пароводяной смеси, и теоретически аргументирован вывод о близости скоростей фаз в развитом критическом потоке.

4. Теоретически обоснованы, разработаны и экспериментально опробованы методы определения расходных параметров пароводяной смеси для использования при пробных выпусках из скважин, основанные на измерении давления критического истечения из сопла и давления заторможенного потока, а также на измерении давления критического истечения и перепада давления вверх по потоку.

5. Экспериментально установлено влияние геометрии канала вверх по потоку на параметры критического истечения. С учетом этого для измерения расходных параметров пароводяных скважин при длительных выпусках по модификации метода Р. Джеймса, использующей сопла для создания критического потока, получена формула расхода для цилиндрического сопла с острой входной кромкой и длиной 3 диаметра. Модификация характеризуется погрешностями определения массового расхода и энтальпии смеси 4 %.

6. Теоретически обоснован и экспериментально испытан метод измерения расходных параметров пароводяных скважин при пробном выпуске и при эксплуатации промысла с транспортом пароводяной смеси, основанный на использовании стандартной диафрагмы и дополнительном измерении динамического давления, характеризующийся погрешностью определения удельной энтальпии смеси, массовых расходов смеси и пара 3.0, 3.7 и 1.4 % соответственно.

7. Разработаны математические модели дисперсно-кольцевого пароводяного течения в горизонтальной и вертикальной трубе, основанные на использовании структурного подхода. С учетом эффекта локальной критичности получены формулы для максимального размера капель воды в ядре дисперсно-кольцевого течения. На основе численных исследований высокоскоростного дисперсно-кольцевого течения в горизонтальной трубе установлена возможность перегрева воды и пара в развитом критическом потоке.

8. Создана методическая база для инженерных расчетов течений в системе транспорта пароводяной смеси от скважин, основанная на численных исследованиях модели дисперсно-кольцевого течения в горизонтальном канале и приложениях эффекта локальной критичности. Получены формулы для максимальной величины гидравлических ударов и для максимальных пульсаций давления.

9. Разработана методика определения забойного давления в неработающей скважине, дано качественное и количественное описание термогидродинамических процессов, протекающих при мгновенной декомпрессии в процессе возбуждения добычных пароводяных скважин, и предложены рекомендации по возбуждению скважин.

10. Сформулированы принципы моделирования течения в пароводяных скважинах с учетом возможности наличия чисто водяного и пароводяного участков. Для пароводяного участка предлагается рассматривать течение с малым паросодержанием (пузырьковая и снарядная структуры), эмульсионное и дисперсно-кольцевое течение. С учетом приложений эффекта локальной критичности разработаны математические модели рассматриваемых структур пароводяного течения.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Шулюпин А.Н. Эффект локальной критичности в динамике пароводяного геотермального теплоносителя. — Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамчатГТУ, 2001.- 102 с.

2. Шулюпин А.Н. Некоторые аспекты критичности пароводяного потока при освоении парогидротермальных месторождений// Вулканология и сейсмология. - 1996. - № 2. - С. 48-54.

3. Шулюпин А.Н. Измерение расхода и энтальпии пароводяных скважин с помощью диафрагм при эксплуатации ГеоТЭС// Теплоэнергетика. - 1994. - №2. - С. 28-30.

4. Шулюпин А.Н. Определение расхода и энтальпии пароводяных скважин при критическом истечении из сопла// Вулканология и сейсмология. - 1993. -№ 5. - С. 61-66.

?

5. Шулюпин А.Н. Течение в геотермальной скважине: модель и эксперимент// Вулканология и сейсмология. - 1991. - № 4. - С. 25-31.

6. Шулюпин А.Н., Алексеев В.И. Измерение расходных параметров пароводяных скважин// Теплоэнергетика. - 1995. — № 11. — С. 46-49.

7. Шулюпин А.Н., Алексеев В.И. Определение расхода и энтальпии пароводяных скважин на стадии опытного и опытно-эксплуатационного выпуска// Вулканология и сейсмология. - 1992. -№ 5-6. - С. 57-65.

8. Shulyupin A. A theoretical model of transitional regime of steam-water flow in geothermal wells// Proceedings, 25-th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. - Stanford University, 2000. - P. 398400.

9. Shulyupin A. Effect of local criticality in dynamics of steam-water geothermal mixture// Preprints, 27-th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. - Stanford University, January 28-30, 2002.

10. Shulyupin A. Some aspects of steam-water flow simulation in geothermal wells// Proceedings, 21-th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. - Stanford University, 1996.-P. 175-178.

11. Шулюпин А.Н. Моделирование течения в пароводяной скважине// Вестник Камчатского государственного технического университета. -2002,- №1,- С. 124-130.

12. Шулюпин А.Н. Анализ динамических процессов при декомпрессии жидкости с фазовым переходом. Тепломассообмен гетерогенных сред. - Петропавловск-Камчатский: Изд-во ПКВМУ, 1996. - С. 76-81.

13. Шулюпин А.Н. Аналитический метод определения глубины уровня начала парообразования в геотермальной скважине// Вулканологические исследования на Камчатке. - Петропавловск-Камчатский, 1988.-С. 121-125.

14. Шулюпин А.Н. Кинематика жидких капель в ядре дисперсно-кольцевого пароводяного потока// Динамика гетерогенных сред в геотехнологическом производстве. - Петропавловск-Камчатский: Изд-во КГАРФ, 1998.-С. 40-44.

15. Шулюпин А.Н. Критичность пароводяного потока. - Петропавловск-Камчатский, 1994. - 17 с.

16. Шулюпин А.Н. Определение фильтрационных параметров пласта по возмущающей скважине в условиях термолифта// Вулканологические исследования на Камчатке. Петропавловск-Камчатский, - 1988. -С. 129-132.

17. Шулюпин А.Н. Основы расчета систем транспорта пароводяной смеси на геотермальных промыслах// Проблемы современного естествознания. - Петропавловск-Камчатский: Изд-во КамчатГТУ, 2002. -С. 27-34.

18.Шулюпин А.Н. Перспективы моделирования пароводяных течений в добычных геотермальных скважинах// Инженерно-физические исследования на Камчатке. - Петропавловск-Камчатский: Изд-во КГ АРФ, 1999. - С. 90-97.

19.Шулюпин А.Н. Производительное, ь геотермальных скважин// Матер. Всероссийск. совещ. по подземным водам востока России. - Иркутск, 1994.-С. 22.

20.Шулюпин А.Н. Расчет перепада давления на прямых участках систем транспорта пароводяного геотермального теплоносителя// Тепломассообмен гетерогенных сред. - Петропавловск-Камчатский: Изд-во ПКВМУ, 1996.-С. 70-76.

21.Шулюпин А.Н. Экспериментальное исследование пароводяного потока в скважинах// Вулканологические исследования на Камчатке. -Петропавловск-Камчатский, 1990. - С. 44-48.

22. Шулюпин А.Н. Экспресс-методы оценки расхода и энтальпии пароводяных скважин// Проблемы развития геотермальной энергетики. -Махачкала, 1991.-С. 163-169.

23.Chermoshentseva A., Shulyupin A. Annular-mist flows of steam-water geothermal mixture// Preprints, 27-th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. - Stanford University, January 28-30, 2002.

24. Delnov Y., Shulyupin A. Geothermal power generation in Kamchatka, Russia// Geothermal Resources Council Transactions. - Portland, 1996. -V. 20.-P. 733-736.

25.Perveev S.L., Shulupin A.N. Project for development of the Mutnovsky geothermal field, Kamchatka, Russia// Proceedings of the World Geothermal Congress. - Florence, 1995. - V. 2. - P. 1361-1362.

26. Shulyupin A., Alekseev V. Testing of steam-water wells// Proceedings of the World Geothermal Congress. - Florence, 1995. - V. 3. - P. 1835-1837.

27. Алексеев В.И., Шулюпин A.H., Усачев Д.П. Измерение расхода пароводяной смеси стандартными диафрагмами. - Петропавловск-Камчатский, 1991. -29 с.

28. Забарный Г.Н., Шулюпин А.Н. Исследование процесса кипения в стволе геотермальных скважин// Теплофизика и гидрогазодинамика процессов кипения и конденсации. Тез. докл. Всесоюз. конф. Т. 1. - Рига, 1988.-С. 89-90.

29. Забарный Г.Н., Шулюпин А.Н. Метод расчета термогидродинамических характеристик Паужетского геотермального месторождения// Тез. докл. Всесоюз. совещания по подземным водам Востока СССР. Иркутск-Южно-Сахалинск, - 1988. - С. 51-52.

30. Забарный Г.Н., Шулюпин А.Н., Гайдаров Г.М. Определение фильтрационных параметров термоводоносных коллекторов по данным

I ( ;!

испытания пароводяных скважин. - Петропавловск-Камчатский, 1989. -

31.Шулюпин А.Н., Алексеев В.И. Теплотехнические методы определения расхода и энтальпии пароводяных скважин// Тез. докл. Между-нар. симп. «Проблемы геотермальной энергетики». - СПб., 1993. -

32. Шулюпин А.Н., Алексеев В.И., Усачев Д.П. Определение расхода и энтальпии пароводяной смеси с помощью диафрагм. - Петропавловск-Камчатский, 1992.— 31 с.

33. Шулюпин А.Н., Алексеев В.И., Усачев Д.П. Оценка расхода и энтальпии пароводяных скважин при пробном выпуске// Матер. 111 Все-союзн. конф. по энергетике океана. Ч. 1. - Владивосток: ДВО АН СССР, 1990.-С. 6.

34. Шулюпин А.Н., Кудряшов В.А., Алексеев В.И. Проблемы гидравлики пароводяного потока при разработке геотермальных месторождений// Тез. докл. Междунар. симп. «Проблемы геотермальной энергетики». - СПб., 1993. - С. 60.

35. Шулюпин А.Н., Чермошенцева A.A. Модель высокоскоростного течения пароводяного теплоносителя в геотермальных скважинах// Труды Второй российск. национ. конф. по теплообмену. Т. 5. - М., 1998. -С. 135-138.

36. Шулюпин А.Н., Чермошенцева A.A. Модель дисперсно-кольцевого потока в геотермальной скважине// Динамика гетерогенных сред в геотехнологическом производстве. - Петропавловск-Камчатский: Изд-во КГ АРФ, 1998. - С. 23-35.

37. Шулюпин А.Н., Чермошенцева A.A. Проблемы транспорта теплоносителя к ГеоТЭС// Эффективные энергетические системы и новые технологии. Труды Междунар. научн.-практ. конф. - Казань, 2001. -С. 201-204.

38. Шулюпин А.Н., Чермошенцева A.A. Термогидродинамические особенности критического истечения пароводяной смеси// Инженерно-физические исследования на Камчатке. - Петропавловск-Камчатский: Изд-во КГАРФ, 1999. - С. 80-89.

59 с.

С. 59.

!

i

!

Шулюпмн Александр Николаевич

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПАРОВОДЯНЫХ ТЕЧЕНИЙ ДЛЯ РАЦИОНАЛЬНОГО ОСВОЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

В авторской редакции Компьютерный набор, »срока, орш инал-макет Шулюпин Л.II.

Лицензия ИД № 02187 or 30 06 00 (. Подписано в нечгпь 26 05 2003 I. Форчаг 61*86/16 Печать офсетная Гарниrypa Times New Roman Авт. л 2.44 Уч -и ш л 2,62 Уел меч л 2,68 Тираж 120 ж) 'Зака| № 98

Релакцнонно-ншнсльскиП отлел Каччаккого юсуларственною lexmwecKoio универопоа

1 Отпечатано полиграфическим участком РИО КамчатГГУ

683003, г. Петропавловск-КамчатскиП, ул Ключевская, 35

»V к ' к

-А

■ч

Содержание диссертации, доктора технических наук, Шулюпин, Александр Николаевич

Основные условные обозначения.

Введение.

1. Анализ современного состояния и тенденции развития исследований пароводяных течений на геотермальных промыслах.

1.1. Состояние и перспективы практического освоения геотермальных месторождений.

1.2. Обобщение проблем динамики пароводяной смеси при освоении геотермальных месторождений.

1.3. Характеристика термогидродинамических процессов при возбуждении пароводяных скважин.

1.4. Анализ состояния и тенденции развития моделирования течения в добычных пароводяных скважинах.

1.5. Проблемы измерения расходных параметров пароводяной смеси при освоении геотермальных месторождений.

1.6. Характеристика термогидродинамических процессов в системах транспорта пароводяного геотермального флюида.

1.6. Постановка задач исследования.

2. Формулировка основных положений и определение параметров для описания газожидкостных течений.

2.1. Определение и характеристика основных структур газожидкостного течения.

2.2. Определение основных параметров газожидкостного потока.

2.3. Анализ методов описания газожидкостных течений.

2.4. Уравнения для описания движения газожидкостной смеси.

2.5. Выводы к главе

3. Исследование критического пароводяного потока.

3.1. Изучение критического потока как физического явления на примере истечения пароводяной смеси.

3.2. Формулировка эффекта локальной критичности в пароводяном потоке.

3.3. Теоретическое определение скорости критического пароводяного потока и сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными.

3.4. Исследование условий возникновения локальной критичности в пароводяном потоке.

3.5. Выводы к главе 3.

4. Разработка методов измерения расходных параметров пароводяной смеси и их экспериментальное опробование на опытном стенде «Камчатскэнерго».

4.1. Описание опытного стенда «Камчатскэнерго».

4.2. Методы измерения расходных параметров пароводяных скважин при пробных выпусках.

4.3. Методы измерения расходных параметров пароводяных скважин при длительных выпусках.

4.4. Измерение расходных параметров пароводяной смеси с помощью стандартной диафрагмы при эксплуатации месторождения.

4.5. Обобщение результатов исследований методов измерения расходных параметров пароводяной смеси и выработка практических рекомендаций по измерениям при освоении парогидротермальных месторождений.

4.6. Оценка экономической эффективности использования метода диафрагмы при эксплуатации Мутновской ГеоТЭС.

4.7. Выводы к главе 4.

5. Разработка методической базы для расчета систем транспорта пароводяной смеси на геотермальных промыслах.

5.1. Теоретическое исследование кинематики капель воды в ядре дисперсно-кольцевого потока.

5.2. Разработка модели дисперсно-кольцевого течения в горизонтальной трубе.

5.3. Исследование высокоскоростного пароводяного течения на основе модели дисперсно-кольцевого течения в горизонтальной трубе.

5.4. Рекомендации по расчету систем транспорта пароводяной смеси на геотермальных промыслах.

5.5. Выводы к главе 5.

6. Исследование термогидродинамических процессов при возбуждении скважин.

6.1. Особенности статического состояния пароводяной скважины.

6.2. Теоретическое исследование термогидродинамических процессов при мгновенной декомпрессии.

6.3. Исследование условий устойчивого режима работы и рекомендации по возбуждению пароводяных скважин.

6.4. Выводы к главе 6.

7. Моделирование стационарного течения в пароводяных скважинах.

7.1. Разработка принципов моделирования стационарного течения в геотермальных скважинах.

7.2. Выработка рекомендаций по расчету пароводяных течений в скважинах при малом паросодержании.

7.3. Теоретическая модель эмульсионного пароводяного течения в скважинах.

7.4. Выработка рекомендаций по расчету дисперсно-кольцевого пароводяного течения в скважинах.

7.5. Математическая модель течения в пароводяной геотермальной скважине.

7.6. Выводы к главе 7.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Научно-методические основы определения параметров пароводяных течений для рационального освоения геотермальных месторождений"

Актуальность темы. История развития цивилизаций характеризуется возникновением глобальной проблемы — обеспечение все возрастающих потребностей при ограниченности располагаемых ресурсов. Указанная проблема связывает прогресс развития общества с поиском нетрадиционных ресурсов жизнеобеспечения, в том числе и энергообеспечения.

В этой связи несомненный интерес представляют геотермальные флюиды, активно использующиеся в последнее время как источник тепла. Привлекает внимание также ценность компонентного состава флюидов, превосходящая стоимость извлекаемого тепла. И это логично - генезис многих месторождений полезных ископаемых связан с гидротермальной деятельностью. Поэтому геотермальные флюиды можно рассматривать как непосредственный сырьевой источник, использование которого позволяет миновать длительную стадию формирования месторождений полезных ископаемых в естественных условиях.

Отмечая хорошие перспективы практической геотермии, особенно при комплексном использовании флюидов, следует обратить внимание, что, как с теплоэнергетической точки зрения, так и с учетом ценности компонентного состава, наибольший интерес представляют высокотемпературные флюиды. При этом для практического освоения на ближайшую перспективу наибольший интерес представляют парогидротермальные месторождения, флюиды которых представлены, в основном, смесью воды и водяного пара.

В процессе освоения парогидротермальных месторождений приобрели актуальность проблемы, связанные с пароводяными течениями в элементах промыслового оборудования. В отличие от сходных проблем при разработке нефтяных и газоконденсатных месторождений с двухфазным флюидом и эксплуатации скважин в газлифтном режиме, в данном случае гидродинамические процессы находятся в существенной зависимости от термодинамических процессов. Недостаточная изученность термогидродинамических процессов в оборудовании промыслов препятствует практическому освоению месторождений.

Внедрение технологий экологически чистой разработки геотермальных месторождений с возвратной закачкой отработанного флюида, стремление к повышению эффективности традиционного теплоэнергетического и создание технологий комплексного использования ресурсов требуют новых подходов к обустройству промыслов. При этом возникает необходимость глубокого исследования термогидродинамических процессов, протекающих в системах добычи парогидротермальных флюидов.

Объектом исследования в настоящей работе является геотермальный флюид, находящийся в пароводяном состоянии. Предметом исследования является пароводяное течение на промыслах при добыче геотермальных флюидов.

Работа выполнялась по государственной научно-технической программе «Дальний Восток России» по теме «Разработка пакета прикладных программ для решения задач динамики пароводяного потока при освоении геотермальных месторождений» (1997-1998 гг.), инициативному проекту РФФИ «Экспериментальное и математическое моделирование процессов фазы направленного взрыва при вулканических извержениях» (1998-1999 гг.), госбюджетной теме КамчатГТУ «Исследование динамики гетерогенных сред применительно к эколого-хозяйственным проблемам Камчатской области» (1997-2002 гг.), хозяйственным договорам с ЭНИН и ЦКТИ (1989-1992 гг.) на экспериментальные исследования пароводяного течения в элементах промыслового оборудования, хозяйственному договору с Паратунской гидрогеологической экспедицией ПО «Камчатгеология» (1991-1993 гг.) на разработку методов измерения расходных параметров пароводяной смеси.

Цель работы: разработать методический аппарат для определения параметров пароводяных течений при выборе рациональных схем эксплуатации и проектировании промысла парогидротермальных месторождений.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Разработка теоретических основ для описания пароводяных течений в элементах оборудования парогидротермальных промыслов.

2. Создание метода измерения расходных параметров пароводяной смеси при эксплуатации геотермального промысла с двухфазным транспортом теплоносителя, -а также повышение эффективности оценки расходных параметров пароводяных скважин при пробном выпуске.

3. Разработка методических основ для определения параметров систем транспорта пароводяной смеси, включая определение условий беспульсаци-онного режима работы, оценку гидроударной опасности, определение потерь давления на линейных участках и местных сопротивлениях.

4. Описание термогидродинамических процессов, протекающих при возбуждении пароводяных скважин с применением мгновенной декомпрессии.

5. Разработка модели стационарного течения в пароводяной скважине на основе сочетания принципов качественной адекватности и минимизации числа эмпирических зависимостей, а также с использованием структурного подхода к описанию течений.

Идея работы заключается в том, что разработка методического аппарата для расчета пароводяных течений при выборе рациональных схем эксплуатации и проектировании промысла парогидротермальных месторождений осуществляется на базе детального исследования термогидродинамических процессов в соответствующих условиях. В процессе исследования выявлен эффект локальной критичности, оказывающий влияние на структуру потока, и на приложениях данного эффекта создана новая теория для описания пароводяных течений на геотермальных промыслах.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Развитие научных основ рационального освоения геотермальных ресурсов возможно благодаря углублению представлений о пароводяных течениях и явлениях, сопровождающих процессы их формирования. Успех данного развития обеспечивается применением аппаратов гидромеханики и термодинамики.

2. Структура газожидкостных потоков на парогидротермальных промыслах формируется эффектом локальной критичности, который позволяет объяснить особенности истечения пароводяных смесей и близость скоростей фаз в развитом критическом потоке. Данный эффект ограничивает максимальную скорость устойчивого движения жидкой фазы, находящейся в насыщенном состоянии, значением критической скорости движения насыщенной воды.

3. Для определения расходных параметров пароводяных скважин, в том числе для контроля разработки месторождения при двухфазном транспорте флюида к потребителю, возможно применение стандартной диафрагмы с дополнительным измерением динамического давления. При этом отношение динамического давления и перепада давления на диафрагме определяет фазовый состав смеси.

4. Используя для определения расходных параметров пароводяных скважин широко распространенный метод Р. Джеймса, критический поток целесообразно создавать специальными соплами. При этом необходима корректировка формулы расхода, учитывающая геометрию сопла.

5. Использование эффекта локальной критичности позволяет оценить максимальный размер капель воды в ядре дисперсно-кольцевого потока, внедрить структурный подход при моделировании дисперсно-кольцевых течений, оценить максимальную величину гидравлических ударов и пульсаций давления при транспорте пароводяной смеси, разработать теоретическую модель эмульсионного режима течения в скважине.

Методы исследований включали: анализ отечественной и зарубежной литературы по предмету исследования; экспериментальные исследования пароводяных потоков на опытном стенде «Камчатскэнерго» в диапазоне термогидродинамических параметров (массовое расходное паросодержание от 0.1 до 1.0, расход смеси до 38 кг/с, давление до 10 бар), характерном для парогидротермальных промыслов, при разработке методов измерения расходных параметров скважин; теоретическое исследование и компьютерное моделирование течений в скважине и системах транспорта пароводяной смеси.

Научная новизна работы заключается: в разработке методического аппарата для расчета пароводяных течений при эксплуатации и проектировании промысла парогидротермальных месторождений; в обосновании и приложениях эффекта локальной критичности в динамике пароводяной геотермальной смеси.

Получены следующие основные научные результаты:

• Сформулировано положение о возникновении локальной критичности в неоднородных потоках на основе исследования термогидродинамических процессов в газожидкостных средах. Выявлены условия возникновения локальной критичности в пароводяном потоке и установлено наличие соответствующего эффекта при течении флюида на парогидротермальных промыслах.

• Развиты приложения эффекта локальной критичности: определены условия и получены формулы для максимального размера капель воды в паровом потоке; разработаны принципы описания дисперсно-кольцевого течения на основе структурного подхода; получены формулы для максимальной величины гидравлических ударов и пульсаций давления в системах транспорта пароводяной смеси; предложены замыкающие зависимости для модели эмульсионного режима течения в скважине и определены условия его существования.

• Разработан метод определения расходных параметров пароводяных скважин для использования при пробных выпусках и при эксплуатации промысла с транспортом пароводяной смеси, основанный на использовании стандартной диафрагмы и дополнительном измерении динамического давления набегающего на диафрагму потока.

• Разработана математическая модель дисперсно-кольцевого потока в горизонтальном канале, и на основе ее численного исследования предложена методическая база для инженерных расчетов течений в системах транспорта пароводяной смеси от скважин, а также показана возможность перегрева паpa в развитом критическом потоке за счет теплообмена с каплями перегретой воды.

• Дано качественное и количественное описание термогидродинамических процессов, протекающих при мгновенной декомпрессии в процессе возбуждения добычных пароводяных скважин. Разработаны принципы моделирования стационарного течения в пароводяных скважинах и модели конкретных режимов течения.

Достоверность научных положений обеспечивается: использованием фундаментальных физических законов в качестве исходных предпосылок для теоретического анализа; использованием законов логики в теоретических исследованиях; корректным применением методов планирования эксперимента, получения и обработки экспериментальных данных; метрологической экспертизой оборудования стенда «Камчатскэнерго»; согласованием расчетных и экспериментальных данных; метрологической экспертизой метода измерения расходных параметров скважин с помощью диафрагмы; теоретическим описанием стадийности режимов критического истечения пароводяной смеси и близости скоростей фаз в развитом критическом потоке, ранее наблюдаемых экспериментально.

Научное значение работы заключается в создании научных основ для описания термогидродинамических процессов при расчете течений флюида на парогидротермальных промыслах, соответствующих современным требованиям, предъявляемым развитием технологий разработки и обустройства промыслов геотермальных месторождений.

Практическое значение работы заключается в создании методов измерения расходных параметров скважин, учитывающих особенности стадий освоения месторождений и схем обустройства промысла. На основании приложений эффекта локальной критичности, аналитического и численного решения задач гидродинамики создана методическая база для инженерного расчета систем транспорта пароводяной смеси от скважин, а также разработаны принципы и модели конкретных режимов течения для расчета стационарных потоков в пароводяных скважинах при разработке месторождений.

Реализация работы. Методические разработки и устройства, созданные на базе рекомендаций настоящей работы, использованы: при проектировании промысла Мутновского месторождения парогидротерм для расчета систем транспорта пароводяной смеси от скважин и для организации измерений расходных параметров смеси с целью контроля режима разработки месторождения; при опробовании скважин Мутновского месторождения для измерения расходных параметров пароводяных потоков; при разработке Паужетского месторождения парогидротерм для определения расходных параметров пароводяных скважин. Развитые в работе представления о критичности потока как условии вырождения градиента давления внедрены в учебный процесс КамчатГТУ в курсах «Гидромеханика», «Гидравлика и гидропривод» и «Гидравлика».

Апробация работы. Результаты исследования на различных этапах докладывались на ежегодных конференциях профессорско-преподава-тельского состава КамчатГТУ (1991-2002 гг.), на Международном симпозиуме «Проблемы геотермальной энергии» (Санкт-Петербург, 1993 г.), на Второй Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы фундаментальных наук» (Москва, 1994 г.), на Мировом геотермальном конгрессе (Италия, Флоренция, 1995 г.), на Геотермальной конференции (США, Порт-ланд, 1996 г.), на семинарах кафедры физики КамчатГТУ (1996, 1997 гг.), на Второй Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1998 г.), на семинарах кафедры теоретической теплотехники ДВГТУ и теплотехники и гидравлики Дальрыбвтуза (2002 г.). По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ.

Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты исследований, выполненных непосредственно автором, в том числе: анализ современного состояния проблемы и постановка задач исследования; планирование и проведение экспериментальных исследований на стенде «Камчатскэнерго»; формулировка и развитие приложений эффекта локальной критичности; разработка методов диафрагмы, двух давлений, трубы критического истечения для измерений расходных параметров пароводяных скважин и обоснование формулы расхода в модификации метода Джеймса; формулировка математических моделей; разработка методической базы для расчета пароводяных течений в скважинах и системах транспорта флюида к потребителю.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 202 наименований, приложений, иллюстрирована 38 рисунками, общий объем - 255 страниц.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Шулюпин, Александр Николаевич

7.6. Выводы к главе 7

1. Анализ термогидродинамических условий работы реальных добычных скважин показал, что модель течения в пароводяной скважине должна рассматривать возможность наличия участков чисто водяного и пароводяного течения. При этом, моделируя пароводяное течение, целесообразно рассматривать течение с малым паросодержанием (пузырьковая и снарядная структуры), эмульсионную структуры и дисперсно-кольцевую структуру.

2. Пузырьковая и снарядная структуры течения, ввиду малости участка их реализации, целесообразно описывать едиными формулами, исключающими возможность возникновения грубых ошибок, используя интегральный метод и двухскоростную модель.

3. Для описания эмульсионного течения, учитывая неупорядоченность структуры, рекомендуется интегральный метод и двухскоростная модель. В качестве нижней границы существования данного течения предлагается использовать достижение скорости паровой фазы в структурах с малым паросодержанием критической скорости движения насыщенной воды. В качестве верхней границы - условие возникновения обратного течения пленки.

4. Связь неупорядоченности структуры с эффектом локальной критичности указывает на два этапа, которые следует учитывать при описании эмульсионного течения. На первом этапе предполагается равенство скорости паровой фазы критической скорости движения насыщенной воды, на втором - равенство скорости воды указанной критической скорости.

5. При описании дисперсно-кольцевого течения, учитывая четкую структуру, рекомендуется использовать структурный подход, анализируя отдельно динамику пленки и ядра. Условие сопряжения уравнений для рассматриваемых элементов структуры — равенство касательных напряжений и скоростей на общей границе элементов.

6. Учитывая малое влияние скольжения фаз в ядре дисперсно-кольцевого потока в условиях, соответствующих ламинарному обтеканию капель, на результаты моделирования, скольжения фаз в ядре следует определять по формулам для турбулентного обтекания капель воды паровым потоком.

7. Опыт реализации представленной модели течения в паровдяной скважине показал отсутствие принципиальных методических сложностей при использовании структурного подхода для отдельной части модели в комбинации с традиционным гидравлическим методом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа посвящена решению крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, - разработке методического аппарата для определения параметров пароводяных течений при выборе рациональных схем эксплуатации и проектировании промысла парогидротермальных месторождений на основе комплексного исследования термогидродинамических процессов. Решение этой проблемы связано с внедрением новых, экологически чистых технологий разработки месторождений и соответствующих схем обустройства промыслов для повышения эффективности использования геотермальных ресурсов. Итогом проведенных исследований явились следующие основные результаты:

1. На основе анализа опыта освоения геотермальных месторождений и тенденций в развитии технологий обустройства промыслов и разработки месторождений выделен класс проблем, связанных с течением пароводяной смеси в элементах оборудования промыслов. Анализ современного состояния разработок по выделенным проблемам показал актуальность их решения на основе детального исследования термогидродинамических процессов, протекающих в элементах оборудования парогидротермальных промыслов.

2. На основе аналитической реализации гомогенной модели критического пароводяного потока получены выражения для скоростей, соответствующие условиям термодинамического равновесия фаз и метастабильного состояния воды, а также выражение для критической скорости движения насыщенной вскипающей воды.