Обоснование и разработка метода расчета основных технологических параметров строительства подземных хранилищ газонефтепродуктов в каменной соли

Штилькинд, Светлана Теодоровна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование и разработка метода расчета основных технологических параметров строительства подземных хранилищ газонефтепродуктов в каменной соли
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка метода расчета основных технологических параметров строительства подземных хранилищ газонефтепродуктов в каменной соли"

На правах рукописи УДК 622.25:519.7

Штилькинд Светлана Теодоровна

003465548

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩ ГАЗОНЕФТЕПРОДУКТОВ В КАМЕННОЙ СОЛИ

Специальность 25.00.22 - «Геотехнология» (подземная, открытая и строительная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 : УД? 2003

Москва 2009

003465548

Работа выполнена в Московском государственном горном университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Смирнов Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Хчеян Георгий Хачатурович кандидат технических наук, доцент Малюков Валерий Павлович

Ведущая организация - ОАО «ВНИПИгаздобыча» (г. Саратов)

Защита диссертации состоится «А (э» апреля 2009 г. в «_|3_» час. на заседании диссертационного совета Д 212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, ГСП, Москва, В-49, Ленинский проспект,6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан « » марта 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук Мельник В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важнейшим национальным достоянием России являются ее огромные энергетические ресурсы и созданный в стране мощный топливно-энергетический комплекс. В последние годы наиболее востребованным энергоносителем стал природный газ, более 90% поставок которого обеспечивается Единой системой газоснабжения (ЕСГ). Вследствие значительной удаленности основных регионов добычи от центров потребления, а также существенной сезонной и пиковой неравномерности спроса на газ, наиболее эффективным способом обеспечения надежности газоснабжения является использование подземных хранилищ газа (ПХГ).

Для регулирования сезонной неравномерности газопотребления в ЕСГ России используются 24 подземных хранилища, 7 из которых построены в водоносных структурах и 17 - в истощенных месторождениях. Кроме того, необходимы дополнительные резервы для покрытия пикового спроса, которое должно осуществляться в короткие сроки и с высокой производительностью подачи газа. Наиболее адекватным средством решения этой задачи являются ПХГ в каменной соли.

Анализ газопотребления в России показывает, что для покрытия прогнозируемого пикового спроса на природный газ суммарная максимальная суточная производительность ПХГ по отбору должна быть увеличена на 35 - 40% относительно существующей. В этой связи в ОАО «Газпром» разработана и принята "Концепция развития пиковых ПХГ на перспективу до 2015 года", предполагающая строительство 10 хранилищ природного газа в каменной соли с общим геометрическим объемом 40950 тыс. м3. Кроме того, в соответствии с утвержденной Минпромэнерго России от 03.09.2007 программой создания в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке единой системы добычи, транспортировки и газоснабжения планируется строительство подземных хранилищ гелия общим геометрическим объемом 1-2 млрд. м3, а также подземных хранилищ природного газа объемом 5.9 млрд. м3.

Строительство подземных хранилищ (ПХ) в каменной соли осуществляется методом подземного растворения каменной соли через буровую скважину. Сложнейшие взаимосвязанные физико-химические процессы, протекающие в подземной выработке при реализации указанной технологии, в условиях длительной отработки соляного пласта и в сочетании с высокой стоимостью технологических операций обусловливают необходимость постановки и решения

задачи прогнозирования и управления развитием подземной выработки.

Поскольку процессы подземного растворения, протекающие при строительстве выработок в каменной соли, описываются весьма сложными уравнениями механики сплошных сред и не допускают аналитического решения, для их интегрирования необходимы специальные численные методы, реализуемые в виде компьютерных программ.

До настоящего времени компьютерное моделирование строительства подземных резервуаров в каменной соли в нашей стране практически не развивалось вследствие неудовлетворительных возможностей вычислительных средств. Отсутствие полномасштабных исследований с помощью математических моделей, построенных на комплексном описании определяющих физических процессов, не позволяло составить достоверную картину развития выработки в процессе ее строительства. Расчет параметров проектируемых технологий, как правило, производился по упрощенным методикам, что приводило к большим качественным и количественным погрешностям вычислений. Так, отсутствие гидродинамического описания пространственного течения рассола в выработке не позволяет достоверно рассчитать параметры технологии сближенного противотока (конфигурацию подвесных колонн, производительность подачи воды, концентрацию отбираемого рассола), что в ряде случаев приводит к экономически необоснованным капиталовложениям и увеличению времени строительства.

В последние годы развитие численных методов решения систем дифференциальных уравнений в частных производных и вычислительных мощностей современных компьютеров сделало возможной реализацию более сложных математических моделей.

В этой связи разработка метода расчета основных технологических параметров строительства ПХ в каменной соли (объема развивающейся выработки, времени строительства, концентрации отбираемого рассола, конфигурации подвесных колонн, производительности подачи воды) на основе гидродинамического описания процессов подземного растворения каменной соли и базирующегося на современных методах математического и компьютерного моделирования представляется актуальной научной задачей.

гидродинамики пространственного течения рассола в выработке, выявлении закономерностей изменения указанных параметров и получении рекомендаций по выбору их рациональных значений, что в совокупности обеспечивает повышение эффективности и снижение стоимости строительства ПХ в каменной соли, а также вносит вклад в дальнейшее развитие строительной геотехнологии.

Идея работы состоит в использовании гидродинамического описания процессов формирования полей скорости, давления и концентрации рассола во внутреннем пространстве выработки-емкости в условиях свободной и вынужденной конвекции, а также массообмена на растворяющейся поверхности каменной соли для расчета основных технологических параметров строительства ПХ.

Методы исследований включают математическое и компьютерное моделирование процессов подземного растворения каменной соли, а также обобщение результатов теоретических исследований и сопоставление их с производственными данными.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Разработана математическая модель создания выработки-емкости в каменной соли, отличающаяся учетом гидродинамики пространственного течения рассола в условиях свободной и вынужденной конвекции, а также массообмена на растворяющейся поверхности каменной соли, которая позволяет рассчитывать основные технологические параметры строительства ПХ.

2. Впервые установлен характер изменения концентрации отбираемого рассола при реализации технологии сближенного противотока, который определяется в основном расстоянием менаду башмаками подвесных колонн и производительностью подачи воды, в то время как влиянием среднего радиуса выработки можно пренебречь. Получены функциональные зависимости концентрации отбираемого рассола от определяющих параметров.

3. Впервые установлено наименьшее расстояние между башмаками подвесных колонн, обеспечивающее заданный КПД использования воды при реализации технологии сближенного противотока, которое определяется в основном производительностью подачи воды, в то время как влиянием среднего радиуса выработки можно пренебречь. Получена функциональная зависимость этого расстояния от определяющего параметра, представляющая собой степенную функцию с показателем 1.8 и коэффициентом 0.01.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются соответствием результатов модельных исследований предельных случаев физическим процессам подземного растворения каменной соли; достаточной для практических целей сходимостью результатов численного моделирования и производственных данных; положительным результатом внедрения разработанных рекомендаций при корректировке регламентов строительства Калининградского и Волгоградского ПХГ в каменной соли.

Научное значение работы состоит в дальнейшем развитии существующих в строительной геотехнологии представлений о закономерностях изменения физических и технологических параметров строительства ПХ в каменной соли и их взаимосвязях.

Практическое значение диссертации заключается в разработке компьютерной программы, позволяющей проводить многовариантные исследования процесса строительства ПХ в каменной соли с использованием различных технологических приемов, прогнозировать и управлять развитием выработки, рассчитывать технологические параметры в широком диапазоне входных данных, а также выбирать их оптимальные значения.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Полученные результаты и программа расчета использовались в ООО «Подземгазпром» при составлении регламентов строительства подземных резервуаров, а также при корректировке проектов создания Калининградского и Волгоградского ПХГ в каменной соли.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на симпозиуме «Неделя горняка - 2006», на рабочем совещании в Управлении по подземному хранению газа в ОАО «Газпром», а также на научных семинарах кафедры «СПСиШ» МГГУ (2007-2009 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит их введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы из 71 наименования и 5 приложений. Диссертация включает 47 рисунков и 19 таблиц. ,

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность Смирнову В.И., Картозия Б.А., Шуплику М.Н., Хчеяну Г.Х., Малюкову В.П., Казаряну В.А., ИгошинуА.И., Позднякову А.Г., Сохранскому В.Б., Салохину В.И., Богданову Ю.М., Щербаку С.Б., Рыкову Ю.Г. за ценные замечания и помощь при подготовке работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Значительный вклад в развитие теории, техники и технологии создания подземных хранилищ газонефтепродуктов внесли российские ученые: Иванцов О.М., Мазуров В.А., Грохотов В.А., Поздняков А.Г., Федоров Б.Н., Смирнов В.И., Казарян В.А., ИгошинА.И., Хчеян Г.Х., МалкжовВ.П., Сохранский В.Б., Богданов Ю.М., Шафаренко Е.М., Теплов М.К. и другие.

Впервые полная, гидродинамическая модель для описания процесса подземного растворения каменной соли, базирующаяся на уравнениях механики сплошных сред, была составлена Кулле П.А. в середине 20-го в. Она включала в себя уравнение конвективной и молекулярной диффузии, уравнения трехмерного течения вязкой жидкости Навье-Стокса и уравнение Щукарева для скорости растворения. Однако поскольку численных методов интегрирования подобных систем, а также необходимых вычислительных средств не существовало, этот подход не мог быть доведен до практических результатов.

В связи с необходимостью упрощения указанной модели были предложены приближенные методы расчета параметров технологии (Кулле П.А., Федорова Б.Н., Мазурова В.А. и Позднякова А.Г.) без использования уравнений движения, построенные на решении уравнения конвективной и молекулярной диффузии для описания динамики концентрации рассола, а также уравнения Щукарева для определения скорости растворения каменной соли.

Для восполнения отсутствующей информации о движении рассола в выработке в подобных методах использовались усредненные по объему выработки величины: приведенная скорость движения рассола и средний коэффициент скорости растворения. Таким образом, особенности пространственного течения рассола в выработке, обусловливаемые конвективными и диффузионными процессами, оставались вне рассмотрения.

Эмпирические методы, реализованные в работах Купле П.А., Грохотова В.А., Мазурова В.А.и др., были основаны на аналогичных предположениях и по существу подтверждались теоретическими результатами, однако были привязаны к конкретным условиям и ограничены масштабами эксперимента.

Поскольку разработанные инженерные методы расчета технологических параметров строительства подземных резервуаров в каменной соли не использовали замкнутой системы уравнений гидродинамики, а распределение определяющих параметров принималось усредненным по объему выработки или одномерным, они могли быть применены только для получения приближенных

оценок. По указанным причинам зависимости динамики концентрации отбираемого рассола не позволяют получить достоверных . результатов без учета нестационарных пространственно неоднородных полей давления, температуры и скорости, расчет которых в свою очередь базируется на анализе течения рассола в выработке. В этой связи был сделан вывод о необходимости использования гидродинамического подхода для адекватного описания процессов подземного растворения каменной соли.

Расчет гидродинамических процессов формирования подземной выработки в каменной соли при ее строительстве неосуществим без привлечения современных методов компьютерного моделирования. Значительный вклад в их развитие внесли труды Сабериана A. (Saberian А.). В основу компьютерной программы Сабериана положена математическая модель всплывающей струи, в соответствии с которой внутрикамерные поля рассматриваются как одномерные функции глубины. В силу относительной простоты и удовлетворительной сходимости результатов расчетов с реальными данными модель Сабериана нашла широкое применение во всем мире (в частности, в моделях INVDIR, Gas de France, и CAVITA, Mining Italiana). Аналогичный принцип одномерного пространственного распределения физических параметров в выработке используется также в моделях UBROASYM, СНЕМКОР, и RSDUGI, ООО «Подземгазпром». Однако вследствие отсутствия учета распределения параметров в радиальном направлении указанные модели не позволяют получить достоверных результатов для расчета технологических параметров выработок с развитым пролетом.

Наиболее подробную гидродинамическую картину процесса подземного растворения составили Каратыгин Е.П., Кубланов А.В. и др., ВНИИГ. Их компьютерная программа «Размыв» построена на модели двумерного вязкого течения несжимаемого рассола. В настоящее время, благодаря широким возможностям моделирования и высокому качеству расчетов, она является основным инструментом для составления регламентов в ведущем профильном институте «Подземгазпром». В то же время выходные данные программы не позволяют анализировать поля скорости и давления во внутреннем пространстве выработки, сужая тем самым возможности исследователя для изучения специфических явлений, и в частности, эффекта «проскока», возникающего при нерациональных сочетаниях технологических параметров. Между тем отсутствие учета указанного эффекта приводит к экономически необоснованным капиталовложениям и увеличению общего времени строительства подземного

резервуара.

Итогом выполненного в первой главе анализа является вывод о многообразии, с одной стороны, накопленного производственного опыта и методов расчета технологических параметров строительства подземных хранилищ в солях и невозможности, с другой стороны, проведения комплексных исследований на основе полных математических моделей вследствие отсутствия необходимых для этого компьютерных программ. В этой связи 8 настоящей диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ основных методов расчета параметров строительства выработок-емкостей в каменной соли.

2. Выбор существенных физических и технологических процессов, определяющих развитие подземной выработки-емкости при ее строительстве, для их последующего описания в математической модели.

3. Разработка математической модели строительства выработки-емкости в каменной соли.

4. Реализация полученной математической модели в виде компьютерной программы и ее тестирование на производственных данных.

5. Исследование основных параметров технологии сближенного противотока при строительстве подземных хранилищ в каменной соли (концентрации отбираемого рассола, конфигурации подвесных колонн, производительности подачи воды) на основе анализа полей давления, скорости и концентрации рассола в выработке.

6. Разработка рекомендаций по выбору рациональных значений основных технологических параметров сближенного противотока (конфигурации подвесных колонн и производительности подачи воды).

Анализ физических и технологических особенностей строительства подземных резервуаров в каменной соли показывает, что этот процесс определяется гидродинамикой течения рассола в условиях свободной и вынужденной конвекции, а также диффузионного массообмена на растворяющейся поверхности. Свободная конвекция рассола вызывается растущими с глубиной градиентами плотности и температуры в массиве окружающей соли. При отработке пласта мощностью до 150 м градиент температур вносит существенно меньший вклад в конвективный процесс по сравнению с вкладом градиента плотности, поэтому при моделировании строительства выработок в подобных условиях влиянием поля температур можно пренебречь.

Хотя принципиально в настоящее время можно ставить задачу о совместном решении уравнений Навье-Стокса и конвективной и молекулярной диффузии в трехмерной постановке, для получения корректных результатов необходима детальная информация о пространственном распределении свойств каменной соли, которая, как правило, недоступна. Более того, имеющиеся вычислительные возможности еще недостаточны для получения решений в разумное время. В этой связи наиболее адекватным представляется выбор двумерной осесимметричной модели выработки, учитывающей распределение параметров в радиальном и осевом направлениях.

Таким образом, в настоящей работе для моделирования процесса строительства резервуаров в каменной соли используется следующая система уравнений:

уравнения Навье-Стокса

ди и ду п ...

— + - + —= 0, (1) дг г дг

(ди ди диЛ дР д2и 1 ди и д2и

р\ — + н — + у— =---+и\ —- +------ + —-

а дг дг) дт I дг г дг г2 дг2

(2а)

5» 3» Л

--Ьи-— + V—

й дг &

^ дР (д\ дМ

уравнение молекулярной и конвективной диффузии

дс дс дс „Г д2с 1 дс д2с

--Ни— + V— = Б

9/ дг дг

уравнение состояния рассола

дг2 г дг дг2

(3)

р-д. + Лг-^с, (4)

где (г,0, г) - цилиндрическая система координат; и и V - соответственно радиальная и осевая компоненты скорости рассола в цилиндрических координатах; < - время; р, Р, с и ¡и - соответственно плотность, давление, концентрация и динамическая вязкость рассола; g - ускорение свободного падения; Б -коэффициент диффузии соли в рассоле; р0 - плотность воды; рИ - плотность насыщенного рассола; сн - концентрация насыщенного рассола.

Решением системы уравнений (1)-(4) в области, соответствующей внутреннему пространству выработки, являются нестационарные поля давления, скорости и концентрации рассола. В качестве начальных условий рассматриваемой

краевой задачи выбрано состояние гидростатического равновесия неподвижного насыщенного рассола.

Начальная форма выработки представлена на рис.1. В соответствии с используемыми методами строительства в модели предусмотрено два режима подачи воды в выработку: прямоточный и противоточный.

г;,////////////''/////,//

(/и. и !■/:/</■ г

а)

'77777777777777777777777?Г б)

Рис. 1. Цилиндрическая модель выработки: а) - прямоточный, б) - противоточный режимы подачи воды

При решении поставленной задачи использовалось предположение, что процесс подземного растворения происходит на боковой поверхности выработки, поскольку в реальных условиях потолочина, как правило, изолирована слоем нерастворителя, а дно - нерастворимыми включениями.

Принципиальная геометрическая схема расчетной области показана на рис.2.

5\|

ч6

Рис. 2. Принципиальная схема расчетной области: 1,3- боковые поверхности внешней и центральной подвесных колонн; 6 - дно выработки; 8 - потолочина выработки; 2,4 - сечения подачи воды или отбора рассола в зависимости от режима подачи воды в выработку; 5 - ось симметрии выработки; 7 - поверхность растворения каменной соли

Граница расчетной области состоит из восьми различных поверхностей, на которых использованы следующие граничные условия:

• ось симметрии (граница 5)г = 0,А41<г<Я:

Зу дР дс дг дг дг

• боковая поверхность внешней подвесной колонны (граница 1) г = гт,,

„ = у = 0, — = 0; дг

• боковая поверхность центральной подвесной колонны (граница 3)

г = г,„, <г<:

«=у=о, —=0; дг

• дно выработки (граница 6) 0<г<К, г = Я:

к = У = 0, — = 0; &

• потолочина выработки (граница 8) гш < г < Я, г = 0:

и = у-0, ^ = 0; 5г

• сечение подачи воды (фаница 2 или 4):

11 = 0. у = с = 0, Р =

• сечение отбора рассола (фаница 2 или 4):

« = 0, у =

где Рй - давление воды на забое водоподающей подвесной колонны,

= г"^ °^ Г ~ 2 ~ '- сечение подачи воды для случаев противотока

[я-гЦ,, гы<г<гм,г = 1м\

и прямотока соответственно;

• поверхность растворяющейся соли (фаница 7) г = Я \ 0 < г < Я:

где р, - плотность каменной соли.

Алгоритм решения системы уравнений (1)-(4) в расчетной области с указанными начальными и граничными условиями заключается в последовательном интегрировании уравнений Навье-Стокса методом прогонки и итерационным методом, а затем использовании полученного поля скоростей для определения поля концентрации рассола на верхнем временном слое.

В соответствии с предложенным алгоритмом в вычислительной среде Borland С++ Builder 6.0 была разработана программа, позволяющая в диалоговом режиме моделировать процесс развития подземной выработки с использованием различных технологических приемов строительства. Указанная программа позволяет прогнозировать важнейшие технологические параметры (объем, форму и время строительства выработки), а также осуществлять их мониторинг за счет моделирования различных сценариев развития выработки в соответствии с актуальными производственными условиями.

Входные данные программы разделены на четыре основные группы: «Геометрические данные в начальный момент времени> (радиус и высота выработки, уровень расположения нерастворителя, уровни расположения сечений (башмаков) подвесных колонн, диаметры подвесных колонн); «Характеристики подачи воды> (режим подачи воды, производительность подачи воды); «Управляющие параметры расчета> (длительность процесса, интервал выдачи информации, количество ячеек сетки); «Физико-химические данные> (плотность воды, плотность насыщенного рассола, концентрация насыщенного рассола, коэффициент динамической вязкости рассола, средний коэффициент диффузии соли в рассоле, средняя плотность каменной сопи).

Выходными данными программы являются распределения концентрации, скорости и давления рассола во внутреннем пространстве выработки, а также ее форма, которые сохраняются в числовом формате и представляются в основном диалоговом окне программы в графической форме. На основании полученных значений указанных полей в программе вычисляются интегральные характеристики: концентрация выдаваемого рассола, количество извлеченной на поверхность земли соли и достигнутый объем.

Вид экрана монитора при работе программы показан на рис.3.

: Концентрация соли в рассолу г/л

Рис. 3. Диалоговое окно программы (пример модельного расчета: поле концентрации рассола внутри скважины после ее отработки в противоточном режиме подачи воды)

В качестве тестового расчета для программы был воспроизведен сценарий строительства подземного резервуара №11 для жидких углеводородов на комбинате «Прибайкалье» в Усолье-Сибирском. Среднее расхождение фактических и расчетных значений объема выработки, количества извлеченной соли и концентрации рассола для первой ступени составляют соответственно 7.0, 4.7 и 8.0%; для второй ступени - 3.5, 7.4 и 4.6%; для третьей ступени - 3.4, 8.1 и 11.4%; для четвертой ступени - 4.0, 3.9 и 5.3%.

Одной из важнейших технологических задач строительства подземных резервуаров в каменной соли является равномерное развитие стенок подземной выработки по высоте. Добиться этого достаточно трудно, так как вследствие стратификации рассола в поле силы тяжести скорость растворения каменной соли в верхней части выработки всегда выше скорости растворения в нижней части. Для преодоления этого эффекта была разработана технология сближенного противотока, суть которой заключается в отработке массива каменной соли ступенями небольшой высоты, в пределах которых плотность рассола, определяющая скорость растворения каменной соли, остается практически одинаковой.

Таким образом, чем меньше высота отрабатываемого участка (определяемая расстоянием между башмаками подвесных колонн), тем более равномерно

движется поверхность стенки каменной соли. С другой стороны, в реальных условиях наблюдались случаи, когда при достаточно близком расположении башмаков подвесных колонн и больших производительностях подачи воды значительная ее часть попадала непосредственно в рассолозаборную колонну, минуя зону растворения (эффект проскока). Это явление проявляется в остановке роста концентрации отбираемого рассола или ее понижении независимо от увеличения площади растворяющейся поверхности. Проскок приводит к экономически необоснованным затратам электроэнергии, увеличению расхода воды и времени строительства. Более того, вследствие остановки роста концентрации в ряде случаев невозможно получить кондиционный рассол, что затрудняет его реализацию на рассолоперерабатывающих предприятиях.

До настоящего времени эффект проскока был изучен недостаточно, что затрудняло прогнозирование остановки роста концентрации. В частности, в процессе формирования куполообразной потолочины при сооружении выработки №11РЭ подземного хранилища для жидких углеводородов в Усолье-Сибирском проскок наблюдался на производительностях подачи воды 80-90 м3/ч при отработке ступеней высотой 4-6 м, причем средний радиус выработки превышал ее высоту в 3 раза и более. При отработке ступеней ббльшей высоты, например Юм, такого резкого падения концентрации отбираемого рассола не отмечалось. Разработанная программа позволила преодолеть указанные затруднения и обеспечить достаточно точный прогноз возникновения эффекта проскока.

На рис.4 представлены: фактическая динамика концентрации отбираемого рассола при отработке 3-й ступени выработки №11РЭ Усольского хранилища, результаты численного моделирования, а также расчет в соответствии с методикой Позднякова А.Г., использовавшийся при составлении регламента. Расхождение результатов расчета по программе с фактическими значениями в среднем не превышает 5%. Точность расчетов с использованием программы превосходит точность расчета с помощью методики Позднякова на 40%.

На основании производственного опыта строительства подземных резервуаров в каменной соли было выдвинуто предположение, что эффект проскока в основном определяется расстоянием между башмаками подвесных колонн 1-, производительностью подачи воды £> и средним радиусом выработки Л.

♦ фактическая

■ расчетная

¿зависимость Позднякова ;

О 10 20 30 40 50 60 70 80 Время,сут

Рис. 4. Динамика концентрации отбираемого рассола при эффекте проскока, наблюдаемом в процессе строительства 3-й ступени выработки №11РЭ в Усолье-Сибирском

Для определения диапазона изменения существенных параметров, обусловливающего эффект проскока, с помощью разработанной программы были проведены исследования, направленные

1) на описание изменения концентрации отбираемого рассола в зависимости от расстояния между башмаками подвесных колонн и производительности подачи воды (получение соответствующих функциональных зависимостей);

2) установление функциональной зависимости для расчета рационального расстояния между башмаками подвесных колонн, начиная с которого проскока не происходит;

3) исследование влияния изменения среднего радиуса выработки на рациональное расстояние между башмаками подвесных колонн.

Ниже приведены результаты расчетов концентрации отбираемого рассола в зависимости от расстояния между башмаками подвесных колонн и производительности подачи воды для модели выработки, имеющей в начальный момент высоту 200 м и радиус 30 м (рис.5). Как видно из рисунка, в зависимости от расстояния между башмаками подвесных колонн можно выделить два основных интервала изменения характера кривых концентрации: интервал существенного роста при увеличении указанного расстояния до некоторого значения (интервал

J-cu + г 280 5 240 S 200

а 160 I 120 й 80 40:

проскока) и интервал стабилизации в окрестности максимального значения.

На основании анализа изменения концентрации отбираемого рассола в качестве критерия преодоления проскока предложено ее пороговое значение. Указанное значение соответствует изменению характера кривой концентрации при переходе от интервала проскока к интервалу стабилизации и составляет 80% от максимально возможного рассчитанного значения при любой фиксированной производительности подачи воды: говорить о наличии проскока можно, если текущая концентрация ниже порога.

Расстояние между башмаками подвесных колонн, соответствующее пороговому значению концентрации, в работе названо рациональным () - это минимальное расстояние, начиная с которого эффект не наблюдается. Рациональное расстояние может рассматриваться как оптимальное расстояние между башмаками подвесных колонн при реализации технологии сближенного противотока с точки зрения получения рассола наибольшей концентрации.

Кривые концентрации на интервале проскока для производительностей подачи воды 0=40, 60, 80, 100 и 120 м3/ч, а также их аппроксимации представлены на рис.6-10. Погрешность аппроксимации результатов расчета составляет менее 0.01%.

« 320

? 280

1 240

§ 200

I 160

' Л

о 120

80, 40

» » ■ к

-—х—

» А

!■ х •

' *

♦ <3=40 МЗ/Ч ■ 0=60 МЗ/Ч

* 0=80 МЗ/Ч

ж 0=100 мЗА|

• 0=120 МЗА<

-1-—7—-1-;-1-1-Г-1-1-1-

20 40 60 80 100 120 140 160 160 200 Рассшяте мещу бацмзюшповеоъктлон^ м

Рис. 5. Изменение концентрации отбираемого рассола в зависимости от производительности подачи воды и расстояния между башмаками подвесных колонн на примере выработки, имеющей в начальный момент высоту 200 м и радиус 30 м

с(д = 0.14971?- 6.6637 + 96.8731- 207.77

г расчетная

-полиномиальная

аппроксимация

О 5 10 15 20 25

Ра0С10ЖИ<? МвЖЛубШШаКЭМИ ЛОДОСОГеК кол ОНИ |М

Рис. 6. Изменение концентрации отбираемого рассола в зависимости от расстояния между башмаками подвесных колонн для расхода воды <3=40 м3/ч

с(Ц = 0.00591.*- 2.1924^ + 10:7951. + 75 551

• расчетная

папин ошапьная аппроксимация

: О : 5 10 15 20 25

Расстояние мех дуСаимакамм подвесных копокн, м

Рис. 7. Изменение концентрации отбираемого рассола в зависимости от расстояния между башмаками подвесных колонн для расхода воды 0=60 м3/ч

СО-) = -0.0098!.3 + 0.7?41!_2- 10.4341.+ 152.46 ■ ;

• расчетам

^полиномиальная аппроксимация

Раоотояниа между башэгами подвесыьк колонн, и

Рис. 8. Изменение концентрации отбираемого рассола в зависимости от расстояния между башмаками подвесных колонн для расхода воды 0=80 м3/ч

С(Ц= 0.00Т1-3- 0.027а.2 + 2.37961. + 87598

• расчетная

—полиномиальная аппроксимаэди

0 5 1 0 1 5 . 20 25 30 35 40 45 50 55 Расстояние меадо&шакмипвд№сн>»с нолонч и

Рис. 9. Изменение концентрации отбираемого рассола в зависимости от расстояния между башмаками подвесных колонн для расхода воды О=100 м3/ч

<5 250

* 741

а 200

а. 160

ч 1ЭТ

% ео

А 41

ь* п

н — -

а 0 —.—■—I—I—I—г—.—I—с—1—,—,—,—>—

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 7 0 75 Расстошпемовдубаишюшпадвесныккшю»« и

Рис. 10. Изменение концентрации отбираемого рассола в зависимости от расстояния между башмаками подвесных колонн для расхода воды 0=120 мэ/ч

Полученные результаты расчета концентрации отбираемого рассола в зависимоста от производительности подачи воды О и расстояния между башмаками подвесных колонн 1_ могут быть представлены в виде следующей таблицы:

Таблица 1. Функциональные зависимости для расчета концентрации отбираемого рассола от производительности подачи воды О и расстояния между башмаками подвесных колонн I.

Производительность подачи воды Функциональная зависимость для расчета концентрации отбираемого рассола

(2=40 м3/Ч ¡0.149711-6.66371.'+96.8731.-207.77, /-<!_„ [со/юГ, /.¿/.^

0=60 м3/ч с(Ц = < 0.08591? - 2.19241? +18.1951 + 75.551, 1 < ¿.^ СОП!*, ^^

0=80 м3/ч ¡-0.00981-' + 0.72411? -¡0.4341+152.46, /.</_ ссич [сопб!,

0=100 м3/ч ¡0.0011?-0.02781? +2.37961 + 87.598, /-</-„„ \const. /. > 1

0=120 м3/ч С(1) = 0.00081? - 0.06261? + 3.28091+81.025, 1 < ^

Анализ кривых изменения концентрации отбираемого рассола на интервале проскока позволяет выбирать рациональные расстояния между башмаками подвесных колонн в зависимости от конкретных условий.

В соответствии с полученными результатами расчета концентрации отбираемого рассола рациональное расстояние между башмаками подвесных колонн определяется в основном производительностью подачи воды и монотонно возрастает с ее увеличением. Функциональная зависимость для расчета рационального расстояния и ее аппроксимация приведены на рис.11.

Рис. 11. Зависимость рационального расстояния между башмаками подвесных колонн от производительности подачи воды на примере выработки, имеющей в начальный момент высоту 200 м и радиус 30 м

Результаты расчета рационального расстояния между башмаками подвесных колонн можно аппроксимировать степенной зависимостью вида

¿ = 0.016'8. (5)

Погрешность аппроксимации расчетной кривой степенной зависимостью не превышает 0.01 %.

Для обоснования факта наибольшего влияния производительности подачи воды на рациональное расстояние между башмаками подвесных колонн был проведен расчет указанного расстояния в зависимости от среднего радиуса выработки. Вычисления производились в широком диапазоне изменения поперечных размеров выработок. Как показали расчеты, с увеличением радиуса выработки расстояние между башмаками подвесных колонн следует уменьшать. Это связано с тем, что средняя концентрация рассола в выработке, имеющей большие размеры, выше, чем средняя концентрация рассола в выработке меньших размеров, благодаря чему падающая струя встречает большее сопротивление. В то же время в пределах точности инженерных расчетов изменением рационального расстояния вследствие изменения средней концентрации рассола в выработке можно пренебречь. Таким образом, рациональное расстояние между башмаками подвесных колонн определяется в основном производительностью подачи воды и описывается зависимостью (5).

Разработанная методика расчета основных технологических параметров строительства ПХ в каменной соли была использована при корректировке регламентов строительства Калининградского и Волгоградского ПХГ. Ожидаемый "экономический эффект, выраженный в снижении стоимости строительства на примере создания подземного резервуара №11РЭ на комбинате «Прибайкалье» в Усолье-Сибирском, составляет 13020198 руб. для единичного резервуара.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованию и разработке метода расчета основных технологических параметров строительства ПХ в каменной соли на основе математической модели гидродинамики пространственного течения рассола в выработке, выявлению закономерностей изменения указанных параметров и получению рекомендаций по выбору их рациональных значений, что в совокупности обеспечивает повышение эффективности и снижение стоимости строительства ПХ в каменной соли, а также вносит вклад в дальнейшее развитие строительной геотехнологии. Основные научные выводы и практические результаты, полученные автором, заключаются в следующем:

1. Анализ методов расчета технологических параметров строительства ПХ в каменной соли показал, что для получения достоверных результатов необходимо учитывать особенности формирования нестационарных пространственно неоднородных полей скорости, давления и концентрации рассола во внутреннем пространстве выработки-емкости. Метод расчета, отвечающий указанным требованиям, должен базироваться на математической модели гидродинамики пространственного течения рассола в выработке в условиях свободной и вынужденной конвекции, а также массообмена на растворяющейся поверхности каменной соли.

2. Разработанная математическая модель создания выработки-емкости в каменной соли построена на гидродинамическом описании пространственного течения рассола внутри выработки и обеспечивает полноту учета влияющих факторов. Указанная модель включает уравнения Наеье-Стокса, уравнение конвективной и молекулярной диффузии, уравнение состояния рассола, начальные и граничные условия.

3. Предложенный алгоритм численного решения уравнений математической модели, заключающийся в последовательном интегрировании уравнений Навье-Стокса для расчета полей давления и скорости рассола во внутреннем пространстве выработки, а затем использовании полученного поля скоростей для решения уравнения конвективной и молекулярной диффузии, позволил реализовать модель в виде компьютерной программы.

4. Соответствующая компьютерная программа предназначена для:

а. моделирования различных сценариев строительства выработки-емкости в каменной соли с использованием различных технологий;

b. расчета технологических параметров в широком диапазоне входных данных (формы, объема и времени строительства выработки, конфигурации подвесных колонн, а также нестационарных полей давления, скорости и концентрации рассола во внутреннем пространстве выработки);

c. анализа и выбора их оптимальных значений.

5. Компьютерная программа может быть использована как методика для расчета основных технологических параметров строительства подземных хранилищ в каменной соли. Указанная методика позволяет повысить точность их прогнозирования в среднем на 30%.

6. Исследование технологии сближенного противотока с помощью разработанной методики впервые позволило получить функциональные зависимости для расчета концентрации отбираемого рассола от расстояния между башмаками подвесных колонн при фиксированных производительностях подачи воды (табл. 1). Выбор конфигурации подвесных колонн следует производить на основе анализа указанных функциональных зависимостей: расстояние между башмаками подвесных колонн должно обеспечивать попадание концентрации отбираемого рассола в область стабилизации.

7. Для выбора расстояния между башмаками подвесных колонн при реализации технологии сближенного противотока получено рациональное значение, определяемое для фиксированной производительности подачи воды как минимальное расстояние, при котором КПД использования свежей воды наиболее высок с точки зрения получения максимальной концентрации отбираемого рассола. Установлено, что указанное расстояние определяется производительностью подачи воды, в то время как влиянием среднего радиуса выработки можно пренебречь. Расчет рационального расстояния между башмаками подвесных колонн следует производить с использованием зависимости £ = 0.016".

8. Методика расчета основных технологических параметров строительства подземных хранилищ в каменной соли была использована при корректировке регламентов строительства Калининградского и Волгоградского ПХГ. Ожидаемый экономический эффект от использования разработанной методики, выраженный в снижении стоимости строительства на примере создания подземного резервуара №11РЭ на комбинате «Прибайкалье» в Усолье-Сибирском, составил 13020198 руб. для единичного резервуара.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ

РАБОТАХ:

(в изданиях, рекомендованных ВАК)

1. Штипькинд С.Т. О компьютерном моделировании процессов создания подземных резервуаров в отложениях каменной соли путем растворения.//Информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - №11, с.167-170.

2. Штилькинд С.Т. Моделирование пространственного течения при размыве подземных резервуаров в каменной соли.//Информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - №6, с.231-237.

3. Штилькинд С.Т. Определение вместимости подземного резервуара сжатого газа в каменной соли термодинамическим способом//Информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - №7, с.246-249.

(в других изданиях)

4. Shtilkind S. Computer Simulation of Salt Cavem Leaching Process. University of Mining and Geology « St. Ivan Rilski ». International Scientific Session, Sofia, Bulgaria, 2007, c. 456-458.

Подписано в печать 12.03.2009. Формат 60x90/16 Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №

Отдел печати Московского государственного горного университета, Москва, Ленинский проспект, 6

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Штилькинд, Светлана Теодоровна

Введение.

1. Обзор основных технологий строительства подземных резервуаров в каменной соли и анализ исследований по моделированию рассматриваемого процесса.

1.1. Эволюция методов строительства подземных резервуаров в каменной соли.

1.1.1. Основные технологии подземного растворения каменной соли через буровую скважину.

1.1.2. Основные технологии строительства подземных резервуаров в каменной соли.

1.2. Анализ методов моделирования строительства подземных резервуаров в каменной соли.

1.2.1. Математическое моделирование.

1.2.2. Компьютерное моделирование.

Выводы по первой главе и основные задачи исследования.

2. Методика расчета технологических параметров строительства подземных резервуаров в каменной соли.

2.1. Физико-математические основы теории подземного растворения каменной соли.

2.2. Выбор определяющих физических процессов для моделирования строительства подземных резервуаров в каменной соли.

2.3. Разработка математической и компьютерной модели строительства подземных резервуаров в каменной соли.

2.3.1. Математическая модель.

2.3.2. Методика численного решения уравнений математической модели.

2.3.3. Компьютерная модель строительства подземных резервуаров в каменной соли.

2.3.4. Апробация разработанной программы на производственных данных.

Выводы по второй главе.

3. Разработка рекомендаций по расчету основных параметров технологии строительства подземных резервуаров в каменной соли и обоснование экономической эффективности от внедрения разработанной методики.

3.1. Расчет основных параметров технологии строительства подземных резервуаров в каменной соли.

3.2. Оценка экономической эффективности от внедрения разработанной методики.

Выводы по третьей главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование и разработка метода расчета основных технологических параметров строительства подземных хранилищ газонефтепродуктов в каменной соли"

Актуальность работы. Важнейшим национальным достоянием России являются ее огромные энергетические ресурсы и созданный в стране мощный топливно-энергетический комплекс. Наиболее востребованным энергоносителем в последние годы стал природный газ, чья доля в потреблении первичных энергоресурсов оценивается на уровне 50%, а в производстве электроэнергии доходит до 60%. В этой связи все более важной задачей становится обеспечение надежного газоснабжения российских потребителей и бесперебойных поставок газа на экспорт.

В России создана и развивается крупнейшая в мире система магистрального транспорта газа - Единая система газоснабжения (ЕСГ). ЕСГ России эффективно осуществляет непрерывный цикл газоснабжения от газоконденсатного месторождения до конечного потребителя. Вследствие значительной удаленности основных регионов добычи от центров потребления природного газа, а также существенной сезонной и пиковой неравномерности газопотребления, обеспечить качественное и надежное снабжение потребителей только за счет системы магистральных газопроводов чрезвычайно трудно. В этих условиях основным и наиболее экономически эффективным способом обеспечения надежности газоснабжения является использование подземных хранилищ газа (ПХГ).

Использование действующих ПХГ позволяет регулировать сезонную неравномерность потребления газа и снижать пиковые нагрузки на ЕСГ. В отопительный период до 20% поставок газа российским потребителям покрывается мощностями ПХГ, а в дни резких похолоданий эта величина достигает 30%.

Для регулирования сезонной неравномерности газопотребления в ЕСГ России используются 24 ПХГ, 7 из которых сооружены в водоносных структурах и 17- в истощенных месторождениях. Созданные в них запасы активного газа составляют около 12-15 % от объема годового потребления, что в основном покрывает сезонные колебания спроса на газ. Однако для надежного функционирования ЕСГ также необходимо иметь дополнительные резервы для покрытия пикового спроса на газ, которое должно осуществляться в короткие сроки и с высокой производительностью подачи газа.

Наиболее адекватным средством для решения этой задачи являются ПХГ в каменной соли. Именно они обеспечивают высокую производительность закачки и отбора газа, то есть способны работать в пиковом режиме эксплуатации, позволяя оперативно реагировать на значительные колебания спроса.

На территории России, Украины, Белоруссии и Армении в отложениях каменной соли построены и эксплуатируются подземные хранилища различного назначения: для нефтепродуктов, сжиженного нефтяного газа, этилена, концентрата гелия и др. Единственное подземное хранилище для природного газа было построено на территории Армении, и, таким образом, в настоящее время пиковых подземных хранилищ для газа в России не существует.

Между тем в большинстве экономических районов существует и, согласно прогнозу Энергетической стратегии России [1], будет расти дефицит в мощностях подземных хранилищ для покрытия максимальной суточной потребности в газе (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Непокрытый дефицит спроса на газ, млн. м3/сут.

Экономические районы 2005г. 2010г. 2015г.

Уральский район -45.8* -60.4 -55.4

Северный район 58.8 55.4 56.7

Северо-Западный район 44.8 52.2 55.4

Центральный район 84.2 72.7 74.6

Центрально-Черноземный район 8.2 11.7 11.0

Волго-Вятский район -4.6 -44.6 -52.0

Поволжский район -4.9 1.2 5.7

Северо-Кавказский район 62.3 70.9 76.1

Западно-Сибирский район 82.5 38.7 44.9

Красноярский край 6.3 7.9 8.6

Калининградская область 3.7 5.0 5.0

По ЕС Г России 295.5 210.7 230.6 Отрицательные значения в таблице соответствуют избыточным мощностям ПХ по отбору газа.

В таких районах, как Северо-Западный, Центральный и Северо-Кавказский, этот дефицит объясняется недостаточными мощностями по максимальному суточному отбору газа из подземных хранилищ. Если не будут приняты необходимые меры, к 2015 году ожидаемый дефицит пикового спроса на природный газ превысит 230 млн. м3/сут.

В этой связи одной из важнейших стратегических задач ОАО «Газпром» является создание мощностей ПХГ в каменной соли. Концепция по развитию пиковых ПХГ на перспективу до 2015 года [1, 2] предполагает строительство 10 хранилищ природного газа в каменной соли с общим геометрическим объемом 40950 тыс. м3. Кроме того, в соответствии с утвержденной Минпромэнерго России от 03.09.2007 (№340) программой создания в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке единой системы добычи, транспортировки и газоснабжения планируется строительство подземных хранилищ гелия общим геометрическим объемом 1-2 млрд. м3, а также подземных хранилищ природного газа объемом 5.9 млрд. м3 [3].

В настоящее время ведется строительство Калининградского и Волгоградского ПХГ. Последнее должно стать первым в России и крупнейшим в Европе подземным хранилищем в солях с объемом активного газа 800 млн. куб. м и суточной производительностью 70 млн. куб. м.

В геологическом отношении потенциал для строительства подземных хранилищ в каменной соли на территории России огромен: в европейской части расположено девять соляных площадей и бассейнов, а в азиатской - шесть. В таблице 1.2 приведены основные характеристики соленосных площадей, где проектируется строительство ПХГ, и основные параметры подземных резервуаров [4].

Название площади Глубина залегания кровли, м Мощность залежи, м Объем ед. рез-ров, тыс. м3 Кол-во рез-ров, шт. Активный объем хранилища, млн. м3 Мах сут. отбор, млн. м3

Калининградская 860 140 400 14 850 30

Волгоградская 1150-1350 50-120 115-350 13 800 70

Березниковская 411-444 79-166 300 29 600 30

Тульская 950 50 350 8 400 40

Смоленская 835 50 350 8 600 50

Серпуховская 1007 500 350 6 300 30

Сереговская 300 > 826 500 14 1000 50

Шедокская 990 162 400 6 300 30

Ангарская 950 40-50 300 8 400 20

Братская 910-1100 73-78 200 9 400 20

Строительство подземных резервуаров осуществляется методом подземного растворения соляной залежи через буровую скважину. Длительность отработки соляного пласта, высокая стоимость технологических операций в сочетании со сложнейшими взаимосвязанными физико-химическими процессами обусловливают необходимость постановки и решения задачи по прогнозированию и управлению развитием подземной выработки при ее строительстве.

Физические и технологические процессы, протекающие в выработке в период ее строительства, описываются весьма сложными математическими моделями, базирующимися на классических уравнениях механики сплошных сред. Подобные системы уравнений не допускают аналитического решения, поэтому для их интегрирования необходима разработка соответствующих вычислительных алгоритмов и последующая их реализация в форме компьютерных программ.

До настоящего времени компьютерное моделирование процессов подземного растворения каменной соли не получило в нашей стране широкого распространения вследствие чрезвычайной сложности моделирования описываемых процессов. Отсутствие полномасштабных исследований, построенных на комплексном рассмотрении определяющих факторов, не позволяло составлять достоверную картину строительства выработки. Расчет параметров проектируемых технологий, как правило, производился по упрощенным методикам, что приводило к большим качественным и количественным погрешностям вычислений. Так, отсутствие гидродинамического описания пространственного течения рассола в выработке не позволяло рассчитать параметры технологии сближенного противотока (конфигурацию подвесных колонн, производительность подачи, концентрацию отбираемого рассола), при которых КПД использования свежей воды наиболее высок. Вследствие недостаточно подробных исследований указанной технологии при строительстве подземных выработок в каменной соли возникал нежелательный эффект проскока, приводящий к экономически необоснованным капиталовложениям и увеличению времени строительства.

В последние годы по мере развития численных методов появилась возможность для решения задач, связанных с многомерными течениями. Благодаря этому стало реалистичным использование более адекватных математических моделей, в полной мере отражающих те или иные качественные стороны изучаемых явлений. Современные методы численного моделирования позволяют проводить многовариантные расчеты на основе комплексного математического описания физических и технологических процессов подземного растворения и осуществлять выбор параметров технологий строительства подземных резервуаров по результатам детальных расчетов.

В этой связи разработка методов расчета основных технологических параметров строительства ПХ в каменной соли (объема развивающейся выработки, времени строительства, концентрации отбираемого рассола, конфигурации подвесных колонн, производительности подачи воды) на основе комплексного исследования процессов подземного растворения и базирующегося на современных методах математического и компьютерного моделирования представляется актуальной научной задачей.

Цель диссертационного исследования заключается в обосновании и разработке метода расчета основных технологических параметров строительства ПХ в каменной соли (концентрации отбираемого рассола, конфигурации подвесных колонн, производительности подачи воды) на основе математической модели гидродинамики пространственного течения рассола в выработке, выявлении закономерностей изменения указанных параметров и получении рекомендаций по выбору их рациональных значений, что в совокупности обеспечивает повышение эффективности и снижение стоимости строительства ПХ в каменной соли, а также вносит вклад в дальнейшее развитие строительной геотехнологии.

Идея работы состоит в использовании гидродинамического описания процессов формирования полей скорости, давления и концентрации рассола во внутреннем пространстве выработки в условиях свободной и вынужденной конвекции, а также массообмена на растворяющейся поверхности каменной соли для расчета основных технологических параметров строительства ПХ.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

2. Впервые установлен характер изменения концентрации отбираемого рассола при реализации технологии сближенного противотока, который определяется в основном расстоянием между башмаками подвесных колонн и производительностью подачи воды, в то время как влиянием среднего радиуса выработки можно пренебречь. Получены функциональные зависимости концентрации отбираемого рассола от определяющих параметров.

Практическое значение диссертации заключается в разработке компьютерной программы, позволяющей проводить многовариантные исследования процесса строительства ПХ в каменной соли с использованием различных технологий, прогнозировать и управлять развитием выработки, рассчитывать технологические параметры в широком диапазоне входных данных, а также выбирать их оптимальные значения.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные положения диссертации докладывались на симпозиуме «Неделя горняка 2006». Полученные результаты и программа расчета использовались в ООО «Подземгазпром» при составлении регламентов строительства подземных резервуаров, а также при корректировке проектов создания Калининградского и Волгоградского ПХГ в каменной соли.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы.

Объем работы. Диссертационная работа состоит их введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы из 71 наименования и 5 приложений. Диссертация изложена на 105 страницах, включая 47 рисунков и 19 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Штилькинд, Светлана Теодоровна

Выводы по третьей главе

1. При нерациональном сочетании технологических параметров сближенного противотока возникает эффект проскока, характеризуемый тем, что значительная часть поступающей в выработку воды попадает непосредственно в рассолозаборную колонну, минуя зону растворения. Моделирование сближенного противотока с помощью разработанной программы позволило установить, что указанный эффект определяется в основном расстоянием между башмаками подвесных колонн и производительностью подачи воды, в то время как влиянием изменения среднего радиуса выработки можно пренебречь.

2. Расчеты, проведенные с помощью программы, позволили описать характер изменения концентрации отбираемого рассола. В зависимости от расстояния между башмаками подвесных колонн при фиксированных производительностях подачи воды установлены интервалы проскока и стабилизации концентрации. Получены функциональные зависимости для расчета изменения концентрации отбираемого рассола на интервале проскока.

3. В качестве критерия преодоления проскока предложено пороговое значение концентрации отбираемого рассола, соответствующее изменению характера кривой концентрации при переходе от интервала проскока к интервалу стабилизации и составляющее 80% от максимально возможного рассчитанного значения при любой фиксированной производительности подачи воды.

4. Установлено рациональное расстояние между башмаками подвесных колонн, соответствующее пороговому значению концентрации, - минимальное расстояние, начиная с которого эффект не наблюдается. Изменение рационального расстояния между башмаками подвесных колонн в зависимости от производительности подачи воды описывается зависимостью (3.2).

5. Показано, что в пределах точности инженерных расчетов изменением рационального расстояния вследствие изменения среднего радиуса выработки можно пренебречь.

6. Разработанный способ выбора рационального расстояния между башмаками подвесных колонн был использован при корректировке регламента строительства подземного резервуара №11РЭ на комбинате «Прибайкалье» в Усолье-Сибирском. Ожидаемый экономический эффект, выраженный в снижении стоимости строительства, составляет 13020198 руб. 04 коп.

7. Методика расчета основных технологических параметров использовалась в ООО «Подземгазпром» при составлении регламентов строительства подземных резервуаров, а также при корректировке проектов создания Калининградского и Волгоградского ПХГ в каменной соли.

Заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по обоснованию и разработке метода расчета основных технологических параметров строительства ПХ в каменной соли на основе математической модели гидродинамики пространственного течения рассола в выработке, выявлении закономерностей изменения указанных параметров и получении рекомендаций по выбору их рациональных значений, что в совокупности обеспечивает повышение эффективности и снижение стоимости строительства ПХ в каменной соли, а также вносит вклад в дальнейшее развитие строительной геотехнологии.

Основные научные выводы и практические результаты, полученные автором, заключаются в следующем:

2. Разработанная математическая модель создания выработки-емкости в каменной соли построена на гидродинамическом описании пространственного течения рассола внутри выработки и обеспечивает полноту учета влияющих факторов. Указанная модель включает уравнения Навье-Стокса, уравнение конвективной и молекулярной диффузии, уравнение состояния рассола, начальные и граничные условия.

4. Соответствующая компьютерная программа предназначена для: a. моделирования различных сценариев строительства выработки-емкости в каменной соли с использованием различных технологий; b. расчета технологических параметров в широком диапазоне входных данных (формы, объема и времени строительства выработки, конфигурации подвесных колонн, а также нестационарных полей давления, скорости и концентрации рассола во внутреннем пространстве выработки); c. анализа и выбора их оптимальных значений.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Штилькинд, Светлана Теодоровна, Москва

1. Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.

2. Смирнов В.И., Казарян В.А., Сохранский В.Б. и др. Концепция развития пиковых ПХГ и комплексов по производству пропано-воздушных смесей в России на перспективу до 2015 г. Фонды ООО «Подземгазпром». М., 1996. ДСП 0.265.

3. Программа создания в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке единой системы добычи, транспортировки и газоснабжения с учетом возможного экспорта газа на рынки Китая и других стран Азиатско-Тихоокеанского региона, 2007.

4. Смирнов В.И. Строительство подземных газонефтехранилищ. -М.: Газоил пресс, 2000.

5. СНиП 34-02-99. Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. М.: Госстрой России, 1999.

6. Хчеян Г.Х., Нафтуллин И.С. Геотехнологические процессы добычи полезных ископаемых. Москва, «Недра», 1983 г.

7. Казарян В.А., Смирнов В.И., Резуненко В.И. Развитие подземных хранилищ в каменной соли. Газовая промышленность, 1995, № 2

8. Мазуров В.А. Подземные газонефтехранилища в отложениях каменной соли. М.: Недра, 1982.

9. Федоров Б.Н. Исследование формообразования емкостей подземных газонефтехранилищ, выщелачиваемых в залежах каменной соли с нерастворителем воздухом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1969.

10. Кулле П.А. Разработка месторождений соли подземным выщелачиванием. Под общ. ред. Ю.В. Моргачевского. Труды ВНИИГ, вып. 20. Госхимиздат, 1949.

11. СП 34-106-98. Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки. М.: Госстрой России, 1999.

12. СТО Газпром 2-3.5-153-2007. Подземные хранилища газа, нефти и продуктов их переработки в непроницаемых и устойчивых горных породах. Нормы и правила проектирования, строительства и эксплуатации.

13. Кулле П.А., Королев В.Ф. Скорость растворения поверхностей каменной соли. Труды ВНИСЛ, вып.5, 1940.

14. Здановский А.Б. Кинетика растворения природных солей в условиях вынужденной конвекции. Под общ. ред. В.В. Вязова. Труды ВНИИГ, Госхимиздат, 1956.

15. Бобко П.С. Методы подземного выщелачивания соляных залежей. Геология и гидрогеология соляных месторождений, 1972, вып. 56.

16. Бобко П.С., Кошин А.Г. Моделирование управляемого ступенчатого выщелачивания// Разработка соляных месторождений методом выщелачивания. Л., ВНИИГ, 1972.

17. Дудко П.М. Системы выщелачивания залежей каменной соли. Труды ВНИИГ, вып. 53. Недра, 1967.

18. Дудко П.М. Графико-аналитический метод определения технологических параметров размыва подземных камер выщелачивания. Труды ВНИИГ, вып. 53. Недра, 1967.

19. Иванцов О.М. Подземное хранение сжиженных углеводородных газов. Изд. второе, доп. и перераб. Недра, 1964.

20. Гофман-Захаров Л.М. Проектирование и строительство подземных резервуаров нефтегазохранилищ. - Киев, Будивельник, 1973.

21. Поздняков А.Г. Определение концентрации рассола, получаемого при размыве подземных камер. Труды ВНИИПромгаза, вып.1, М., Недра. 1965.

22. Поздняков А.Г. Определение коэффициента скорости растворения при естественной конвекции в процессе создания полостей в каменной соли. Использование газа, подземное хранение нефти и газа, вып. 9. МИНГАЗПРОМ, ВНИИПРОМГАЗ. М.: Недра, 1977.

23. Поздняков А.Г. О моделировании процесса выщелачивания подземных камер в каменной соли. Использование газа, подземное хранение нефти и газа, термическая добыча полезных ископаемых, вып.4. МИНГАЗПРОМ, ВНИИМПРОМГАЗ. М.: Недра, 1969.

24. Поздняков А.Г. Исследование процесса создания подземных емкостей газонефтехранилищ в отложениях каменной соли выщелачиванием через буровые скважины. Канд. диссертация. ВНИИГАЗ, 1968.

25. Поздняков А.Г., Резуненко В.И. Моделирование подземных резервуаров в каменной соли. Газовая промышленность, № 10,1997.

26. Васюта Ю.С. Исследование и разработка технологических схем выщелачивания емкостей для нефтепродуктов и сжиженных газов в пластах каменной соли малой мощности. Автореферат дисс. к.т.н. М., МИНХ им.1. Губкина, 1967.

27. Грохотов ВА, Мазуров В. А. О методах расчета размыва камер в отложениях каменной соли. Труды ВНИИПРОМГАЗ, вып.1, 1965.

28. Грохотов В А К вопросу составления программ формирования потолочин емкостей, размываемых в соляных отложениях. Труды ВНИИПРОМГАЗ, вып.1, 1965.

29. Бельды М.П. Кинетика свободно-конвективного растворения солей/Дехнология и кинетика растворения солей. Л.:, ВНИИГ, 1985.

30. Каратыгин Е.П., Кубланов А.В., Пустыльников Л.М., Чанцев В.П. Подземное растворение соляных залежей. С. Петербург: Гидрометеоиздат, 1994.

31. Durie R.W., Jessen F.W. The influence of surface features in the salt dissolution process//Society of Petroleum Engineers Journal, № 3, 1964.

32. Эккерт Э.В., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена. Госэнергоиздат, 1961.

33. Sears G.F., Jessen F.W. Controlled Solution Mining in Massive Salt//Society of Petroleum Engineers Journal, № 6, 1966.

34. Руководство по методике расчета основных параметров технолонии сооружения подземных резервуаров в каменной соли. МИНГАЗПРОМ СССР, ВНПО «Союзгазпром», институт ВНИИПромгаз. -М.,1986.

35. Kunstman A., Urbanczyk К. Computer models of the salt cavern leaching process evolution over the last 35 years. Salt Symposium, 2000.

36. Pottier M., Esteve B. Simulation of Gas Storage Cavity Creation by Numerical Method. Fourth Symposium on Salt, volume 2, 1973.

37. Kunstman A.S., Urbariczvk K.M. UBRO A Computer Model for Desining Salt Cavern Leaching Process Developed at CHEMKOP, SMRI Fall 1990 Meeting, Paris, October.

38. Nolen J.S., G. Von Hantleman, Meister S., Kleinitz W., Hieblinger J. Numerical Simulation of the Solution Mining Process, European Spring Meeting of SPEJ, Amsterdam, May, 1974.

39. Saberian A. Numerical Simulation of Development of Solution-mined Storage Cavities. Ph. D. Dissertation, University of Texas, August, 1974.

40. Russo A. J. A User's Manual for the Salt Solution Mining Code, SANSMIC. SMRI Fall meeting, 1983.

41. Saberian A., SALGAS User's Manual, Volume 1 Theories. Formulas & Program Description. Volume 2 - Input Data, Documentation and

42. Example Runs Research Project Report, 1984.

43. Chaudan E. INVDIR: A convenient and Efficient Solution Mining Model. SMRI Fall meeting, Paris, 1990.

44. Guarascio M. CAVITA: A Multipurpose Numerical Code for Brine Production Planning and Cavern Design and Control. SMRI Fall Meeting Cleveland, 1996.

45. Kunstman A.S., Urbanczyk K.M. The new UBRO version leaching simulation code for a asymmetrical caverns - result of applying to a Mogilno gas cavern. SMRI Fall Meeting, Hannover, 1994.

46. Griesbach H, Heinze F. Untergrundspeicherung: exploration, errichtung, betrieb. UGS. Landsberg/Lech: Verl. Moderne Industrie, 1996.

47. Kazaryan V.A., Salokhin V.I., Scherbak S.B. Solution Mining of Underground Storage in Rock of Limited Thickness: Experience and Computer Simulation. SMRI Spring Meeting, Basel, 2007.

48. Казарян B.A., Тарунин Е.Л., Мызникова Б.И., Вертгейм Т.И., Цыбульский П.Г. Тепло- и массообмен в подземных резервуарах газонефтепродуктов. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2008.

49. Лойцянский J1.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978.

50. Лапин Ю.В. «Турбулентный пограничный слой в сверхзвуковых потоках газа». М.: Наука, 1970.

51. Reynolds О. On the dynamical theory of incompressible viscous fluids and the determination of the criterion, Phil. Trans, of the Roy. Soc., London 186 (1894).

52. Салохин В.И., Хрулев A.C., Каналин Д.В. Моделирование процесса конвективного смешения воды и рассола в камерах подземного растворения каменной соли. М. МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень, №9, 2001.

53. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидродинамика и теплообмен. Том 2. М.: Мир, 1990.

54. Самарский A.A. Введение в численный методы. М.: Наука,1987.

55. Вольвачев А.Н., Сурков Д.А., Сурков К.А. Программирование в среде C++Builder. Минск: Попурри, 1998.

56. Богданов Ю.М., Грохотов В.А., Соломаткин A.C. О создании подземного резервуара затопленными струями с вращением водоподающей колонны. Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 1985, №4.

57. Богданов Ю.М., Борисов В.В. Этиленохранилище в каменной соли. Газовая промышленность, сентябрь 1999.

58. Архангельский А. Я. Программирование в C++Builder 4. М: Бином, 1999.

59. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1988.

60. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1973.

61. Рид Р., Праусниц Д., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. -Л.: Химия, 1982.

62. Теплопроводность жидкостей и газов. Н.Б. Варгафтик, Л.П. Филиппов, A.A. Тарзиманов, Е.Е. Тоцкий. М., Изд. Стандартов, 1978.

63. Kneer A., Irmer А., Riegel Н., Klafki М. Application of a CFD-Code for Modeling of 3D-Flow Processes in Salt Caverns During Gas Withdrawal. SMRI, Fall 2002 Meeting, 6-9 October 2002, Bad Ischl, Austria.

64. Кочин H.E., Кибель И.А., Розе Н.Ф. Теоретическая гидромеханика. Т. I, II. М: Гостехиздат, 1963.

65. Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю., Секундов А.Н., Смирнова И.П. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984.

66. Казарян В.А. Подземное хранение углеводородов в солевых отложениях. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2006.

67. Мазуров В.А., Поздняков А.Г., Малюков В.П. Хранилища природного газа в маломощных пластах каменной соли. ВНИИЭгазпром, реферативный сборник «Газовая промышленность». Серия транспорт и хранение газа. Москва, 1979.

68. Штилькинд С.Т. О компьютерном моделировании процессов создания подземных резервуаров в отложениях каменной соли путем растворения.//Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. -№11.

69. Штилькинд С.Т. Моделирование пространственного теченияпри размыве подземных резервуаров в каменной соли.//Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. - №6.

70. Штилькинд С.Т. Определение вместимости подземного резервуара сжатого газа в каменной соли термодинамическим способом//Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. - №7.

71. Shtilkind S. Computer Simulation of Salt Cavern Leaching Process. University of Mining and Geology « St. Ivan Rilski ». International Scientific Session, Sofia, Bulgaria, 2007.

Информация о работе

Штилькинд, Светлана Теодоровна
кандидата технических наук
Москва, 2009
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обоснование и разработка метода расчета основных технологических параметров строительства подземных хранилищ газонефтепродуктов в каменной соли - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы