автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Методы расчетов процессов теплопереноса в системах извлечения геотермальной энергии

Р Г о

г

и.

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ОТДЕЛЕНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ИНСТИТУТА ПРОБЛЕМ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

На правах рукописи

Забарный Георгий Николаевич

МЕТОДЫ РАСЧЕТОВ ПРОЦЕССОВ ТЕШОПЕРЕНОСА В СИСТЕМАХ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

Специальность: 05.14.08 - Преобразование возобновляемых видои анергии и установки на их основе

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Киев - 1995

Диссертацией является.рукопись.

Работа выполнена в Институте технической теплофизики Национальной Академии наук Украины и Камчатском комплексном отделе Института "НИПИГеотерм". . •

Официальные оппоненты: • - доктор технических наук, профессор Е а ЧЕРНЯК

- доктор геол.-мин. наук Е Г. Осадчий

- доктор технических наук И. Е Казачков

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество "Укранергопром",. . ,¿л Защита диссертации состоится " 5~ " и7>А 19./Х~г. в

М- часов на заседании специализированного ученого совета Д. 01.59. 01 в Отделении высокотемпературного преобразования анергии Института'проблем энергосбережения НАН'Украины, по адресу:

252070, г. Киев-70, ул. Андреевская, 19, тел. 416-44-60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Отделения высокотемпературного преобразования энергии Института проблем энергосбережения НАН Украины.^ ' Автореферат разослан " £ " : ¿(б&ЬрЯ 19г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета

кандидат технических наук . Т. Е СУРЖИК, /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Изменившиеся в последнее время внешнеполитические и экономические условия поставили Украину перед необходимостью развития собственной энергетической базы, не связанной с внешними поставщиками энергоносителей. Составной часты) этой базы может стать геотермальная тешгаалектрознергетика, основой для развития которой являются имеющиеся'на Украине ресурсы теплоэнергетических вод. •

В настоящее время в. соответствии с постановлением Кабинета Министров Украины N 7641/49 от 16.VI.1994 г. и Государственной энергетической программой начаты работы по промышленному освоению геотермальных ресурсов. При этом предполагается испольэобать экологически чистую интенсивную технология извлечения природного теплоносителя, предусматривающую его возвратную закачку в пласт после отработки. Использование данной технологии позволит решить как проблему захоронения- добываемого выоокомин'ералиеованного флюида, так и организовать восполнение упругой энергии пласта, запасов теплоносителя.

Безусловно, перспектива освоения геотермальной энергии зависит не -от потребностей & тедле или электричестве в том или ином районе,а о? наличия подготовленных для промышленного извлечения запасов теплоэнергетических вод. К сожалению, в настоящее время запасы теплоэнергетических теплоносителей на территорий Украины изучены крайне слабо, что не позволяет в полной мере оценить возможные масштабы их использования. Более подготовленными для промышленной эксплуатации являются термальные вода с

температурой до 100°С. Их потенциальные эксплуатационные запасы до глубин 3500 метров разведаны и определены Комитетом но геологии и использованию недр Украины в количестве 27 303 тыс.м/сут, что позволяет обеспечить работу-систем геотермального теплоснабжения суммарной мощностью 60 хыс.ЫВт. Указанные запасы подсчитаны по данным разведочного бурения в пределах территории Причерноморского (Одесская, Херсонская области, Республика Крым) и Закарпатского (Закарпатская область} артезианских бассейнов для условий фонтанной, насосной и циркуляционной технологий разработки. -

Среди других регионов Украины, перспективных для добычи пригодных для теплоснабжения термальных вод, следует выделить Днепровско-Донецкую впадину (Черниговская, Полтавская, Харьковская, Донецкая области). Здесь при проходке нефтегазовых скважин глубиной до 4000 метров зафиксированы слабонапорные или безнапорные термоводоносные горизонты с температурами.80вС-100°С и вше. Промышленная эксплуатация указанных горизонтов так же возможна с применением фонтанной, насосной и циркуляционной технологий. • .

Что яв касается запасов, пригодное для выработки эдектро -энергии вьюокотемпертурных теплоносителей, то их оценка в Украине практически яе проведена,-Вместе о тем, согласно подученным в. результате опробования единичных скважин данным, геотермальные электроэнергетические установки могут быть построены в Закарпатской (площадь Залуж, на глубине 4200 метров зафиксирована температура 210*0), Харьковской (площади Изюм, Спиваковская, на глубине 3900 метров зафиксированы температуры 20з"с и 198°С) областях и 'республике Крым (пдоцрди Тарханкутская и Керченская,' на глубинах "4000 метров зафиксированы температуры свыше 200°С). Прогнозные оценки показывают, что на перечисленных площадях возможно строительство геотермальных электростанций суммарной установленной мощность!) около 1000 МВт.

. Освоение только упомянутых выше ресурсов термальных взд и парогидротерм позволит покрыть до БХ потребностей Украины в тепловой и электрической анергии, сократить импорт миллионов тонн органического топлива. ■•■

- б -

Для организации промышленного использования уже выведенных запасов термальных ьод необходимо нападать проектирование, строительство и эксплуатация специальных геотермальных установок (см ■ рис 4- 1), соЪтоязщх из:

1. Системы добычных и поглощащих скважин, работающих в заданном режиме, обеспечивающем стабильную добычу природного теплоносителя иэ подземного проницаемого коллектора.

2, Наэеынсго теплоиспользущего комплекса.

Если проектирование нааемнсго теплокспользукщего комплексе, геотериальнык установок не имеет, принципиальных трудностей и возможно на основе суцесгвутазог методик расчетов теп лома ссосю'-менных процессов, то проектирование систем извлечения геотермальной энергии (или систем разработки, геотермальных месторождений) является новой технологической задачей, длл решения которой необходимо создание соотзетствущих методов проектирования, основанных на расчетах процессов тепломассопереноса как в подземном проницаемом коллекторе, так и в самих геотермальны* скважинах.

Цель и задачи.исследования: Целью диссертационной работы являлись: 4 '

1. Теоретическое и- экспериментальное изучение закономерностей тепломассооСменных процессов, происходящих при движении теплоносителя е геотермальных коллекторах и скважинах, позволявшее построить пригодные для инженерных расчетов математические модели рассматриваемых процессов к определить выражения для межфаа-ных потоков, замыкагщие получённые модели.:

2. Разработка наосновеполученных математических моделей методов расчета тохнологичёских показателей' установок для извлечения геотермальной энергии, использование которых даст возможность проводить вычисления бее применения трудноопределяемых эмпирических коэффициентов.

3. Экспериментальная проверка созданных методов путем сравнения расчетных« измеренных на лабораторной модели, коллектора и в действующих скважинах полей давлений и температур.

4. Эксперитменталъное определение необходимых для проектных расчетов коэффициентов теплоотдачи.

- в - .

Достижение поставленной цели требовало решения следующих задач:

- разработать на основе теоретических исследований и экспериментального изучения вакономерностей конвективного теплопере-носа в гетерогенной проницаемой среде математическую модель процесса, обосновать пределы ее применения;

- получить пригодное для практики инженерных расчетов решение предложенной модели теплопереноса и дать рекомендации по использованию настоящего решения пр*л расчетах технологических показателей геотермальных установок;

- экспериментально исследовать динамику изменения во времени и в пространстве температуры филь трущейся жидкости и частиц пород, формирующих проницаемую среду. Провести сравнение полученных данных с результатами теоретических расчетов по предложенной методике;

- экспериментально определить необходимые для замыкания предложенной математической модели коэффициенты теплоотдачи для поверхности частиц гетерогенной среды;

- разработать на основе теоретических исследований и экспериментального изучения математическую модель течения теплоносителя в стволе геотермзльной скважины, обосновать пределы ей применения; ,

- получить пригодное для инженерных расчетов решение предложенной математической модели течения в стволе геотермальной, скважины и дать рекомендации по его применении в практике проектирования геотермальных установок;

- экспериментально исследовать динамику изменения глубины уровня парообразования в геотермальных скважинах в зависимости • от температуры, давления и расхода теплоносителя на устье. Сравнить полученные данные с результатами1 теоретических расчетов по предложенной модели.

Методика исследований включала:

1. Анализ отечественной и зарубежной литературы по теме диссертации.

2. Теоретические работы, направленные на разработку и "численное решение как существующих, так и вновь созданных математи-

чеоких моделей тепломассопереноса в проницаемых средах, стволе геотермальных скважин.

3. Экспериментальные работы, направленные на изучение теплообмену при движении флюида в пористой среде и в вертикальных трубах.

4. Сравнительный анализ расчетных и фактических показателей систем извлечения для ряда геотермальных месторождений с целью оценки возможности использования предложенных методов в практике проектирования.

Экспериментальные исследования теплообмена при течении в гетерогенной .проницаемой среде проводились на специально сконструированной и изготовленной лабораторной установке, которая отвечает основным требованиям физического моделирования и отражает условия фильтрации в подааикых геотермальных коллекторах. Достоверность получаемой на этой установке информации подтверждалась данкыми тестовых испытаний и сравнением с аналогичными данными других исследователей.

Экспериментальные исследования процессов течения теплоносителя в стволе скважин выполнялись на действующих геотермальных сквадашзх Шуметского месторождения парогидротерм Камчатской :б--ласти.

Научная новивна:

- Предложена подтвержденная экспериментальными данными новая математическая модель конвективного тешюпереноса в слое шаров одинакового радиуса'с регулярной укладкой, которая позволяет с единых позиций рассмотреть процессы, происходящие при движении жидкости в геотермальном коллекторе заданной структуры. В предложенной модели не содержится никаких сложноопределяемых эмпирических коэффициентов, затрудняющих ее широкое использование. В выведенных уравнениях фигурируют обычные теплофизкчеекие параметры и стандартно и&меряешй коэффициент теплоотдачи. Полученная модель по л оке-на в основу новой методики расчета технологических параметров систем извлечения геотермальных установок.

-Теоретически доказано,что для большинства задач теплообмена в проницаемых породах, решаемых при проектировании систем извлечения геотермальной энергии,справедливо использование ли-

нейнэго закона фильтрации.

- Экспериментально изучена динамика изменения во времени и в пространстве температуры жидкости и частиц пористого коллектора регулярной структуры, в результате чего установлены основные закономерности изменения температурного поля, как в частицах, так и в жидкости, в зависимости от скорости фильтрации флюида и материала частиц.

- Экспериментально определены коэффициенты теплоотдачи для поверхности частиц геотермальной срда?ы заданной структуры.

- На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований предложена новая методика • расчета технологических параметров систем извлечения природного теплоносителя, позволяющая учесть при расчетах градиент температуры б частицах, из которых состоит подземный коллектор.

- На основе существующих представлений сформулирована мате- . матическая модель вертикального двухфазного течения теплоносителя в стволе гэотермалъной скважины, учитывающая теплообмен между стволом скважины и окрузяшсирш ее горным, массивом. Модель замкнута с поморю эмпирических зависимостей для истинного объемного паросодержания и касательных напряжений.

- Экспериментально изучен процесс течения теплоносителя в стволе геэтеомалььой скважины, в результате чего установлен ха- , рактер взаимосвязи Между глубиной уровня парообразования и термогидродинамическими характеристиками патока на устье скважины..

- На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований предложена новая методика, расчета тзрмогидродинами-ческих характеристик теплоносителя на устье геотермальной скважины, позволяющая учесть при расчетах теплообмен ствола скважины с окружающим горным массивом.

Практическая значимость. Предложенные в диссертационной работе методика расчета технологических параметров геотермальных установок, методика расчету термогидродинамических характеристик пароводяных скважин, а тага» данные экспериментальных исследова-

ний использованы при составлении проектов теплоэнергетичских установок для Пар'атунскоГб, Мутновского, Паужетского, Эссовского месторождений парогидротерм Камчатской области, Итурупского, Ку-наширского месторождений Сахалинской области. Кроме того, поре-численные методики использованы при составлении технико-экономического обоснования перспектив использования геотермальных теплоэнергетических установок-на территории.Украины.

Достоверность научных положений и рекомендаций работы- подтверждается сходимостью полученных, результатов с данными экспериментальных исследований и данными, полученными при опытно-промышленных работах.

Автор защищает собранные в единый комплекс материалы научных исследований, которые могут быть использованы при создании техники й технологии геотермальной теплоэнергетики, а именно:

- математическую модель конвективного теплопереноса в коллекторе, слаженном частицами-шарами одинакового радиуса с веданной структурой;

- результаты теоретического исследования закономерностей неизотермической фильтрации в проницаемых средах;

- результаты экспериментальных исследований взаимовлияния гидродинамического и теплового поля при движении жидкости в коллекторе с заданной структурой;

- результаты экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи от поверхности частиц проницаемого слоя к омывающей их жидкости;

- методику расчета технологических параметров систем интенсивного извлечения геотермального теплоносителя, используемого в теплоэнергетических установках;

- математическую модель двухфазного течения флюида в геотермальной скважине; •

- результаты экспериментальных исследований закономерностей течения теплоносителя в стволе геотермальной скважины;

- методику расчета термогидродинамических характеристик потею на устье (забое) геотермальной скважины.

Апробация работы и публикация ее результатов. Основные положения и результаты работы докладывались на конференциях и семинарах в Институте технической теплофизики НАН Украины (г. Киев, 1988 г.), Институте вулканологии ДЮ АН России (г. Петропавловск-Камчатский, 1990 г.), Институте горного дела АН России (г. Хаба-. ровск, 1992 г.), Институте "ВОДГЕО" (г. Москва, 1991 г.)- По теме диссертации опубликована 31 печатная работа

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, общим объемом 356 страниц машинописного текста, иллюстрирована 49 рисунками, содержит список использованной литературы из 137 названий. . '

Автор выражает благодарность за помощь и поддержку в проведении исследований доктору технических наук К Я. Журавленко, кандидату технических. наук А. К Щурчкову, а также сотрудникам Камчатского комплексного отдела Института НШШРеотерм Пашкевичу Р. И., Шулюпину А. Н. , Кудряшову В. А.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность и целесообразность .проведения исследований, направленных на создание методов . расчета и проектирования геотермальных теплоэнергетических установок. Сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой • главе Изложено современное состояние и перспективы освоения геотермальных ресурсов Украины. Шказано, что в результате геолого-поисковых работ, проведенных на территории Украины, в ряде ее регионов с глубин до 4000 метров на поверхность могут быть выведены промни денно значимые запасы как. низкопотенциальных гидротерм с температурами 60°С - 100®С, так и "запасы высокопотенциальных парогидротерм с температурами свыше 100вС. Первоочередными для практического освоения признаны запасы геотермального флюида, обнаруженные в следующих районах:

1. Велико-Подольский гидрогеотермический район. Термоводоносные горизонты выявлены в кембрийских, силурийских и девонских отложениях. Температура вод, выведенных с глубин до 3000 метров, достигает 80°С. Воды, в основном, слабонапорные, минерализация до 140 Г/литр.

2. Днепровско-Донецкий гидрогеотермический район. Термальные веды выявлены в девонских и каменноугольных. отложениях. Температура вод. выведенных с глубин около 4000 метров, превышает 100°С, воды напорные или слабонапорные, минерализация до 200 г/литр.

3. Причерноморский гидрогэотермический район. Термальные воды выявлены в. осадочных отложениях кайнозойских, мезозойских и палеозойских пород. Температура вод, выведенных с глубин до 2500 метров,достигает 90°С и выие. Воды напорные или слабонапорные, минерализация до 10 г/литр.

4. Закарпатский гидрогеотермический район. Термальные воды выявлены в трещиноватых палеоген-неогеновых отложениях. Температура'вод, выведенных с' глубин 4000 метров, достигает 130°С и выше. Воды слабонапорьые или безнапорные, минерализация до 25 г/литр.

о. Гидрогеотермический район равнинного Крыма Термальны-: воды выявлены в нижнемеЛовнх, верхнеюрских, палеоценовых отлол?-киях. Температура вод, выведенных с глубин 1500-2000 м-.-п'ог,, достигает 90°С и выше. Воды напорные илй елабонапорные, минерализация до 30 г/литр.

Извлечение запасов геотермальных флюидов в вышеперечисленных районах планируется осуществить'с помощ?п геотермальных тепловых установок,_ схема которых показана на рис. 1. Эффективность эксплуатации настоящих установок во многом зависит от стабильной работы системы добычи природного теплоносителя, состоящей из проницаемого теплоеодерлащего пласта и ряда вскрывающих его добычных и нагнетательных скважин. В этой связи при создании геотермальных тепловых установок одной из основных задач является проектирование системы добычи подземного теплоносителя.или, согласно существующей терминологии, проектирование системы разработки геотермального месторождения.

Под разработкой геотермального месторождения по аналогии с нефтяными и газовыми месторождениями понимается вызов процесса движения к эксплуатационным скважинам теплоносителя .находящегося в продуктивном коллекторе, и управление его дальнейшим течением. Схема установки геотермального

теплоснабжения 1-проницаемый коллектор;

2-добычная скважина;3-га-зо-и шдамоотделитэдь; 4-нагнетательный насос; Б-нзгнетательная скважина; 6ттеплообменники отопительной системы;7~сетевой насосы-теплообменники системы горячего водоснабжения;

9-отопительная система;

10-система горячего водоснабжения ;11-источник воды, пригодный по санитарным нормам для горячего водо-. снабжения;12-система утилизации газов и шлама,

кш

3

ПОШЫЛЕАМ

фз

г?

I—.____I

Рис.1.

В настоящее время промышленная разработка геотермальных месторождений осуществляется двумя способами:

1. Самоизливом, за счет упругой анергии продуктивного коллектора и тепловой энергии выводимого теплоносителя (эффект термо или парлифта).

2. С помощью методов интенсивного воздействия на пласт.

Технически более простым и, следовательно, наиболее распространенным является первый, способ. Однако, он применим только

при разработке напорных термоводоносных горизонтов, имещих достаточно высокое избыточное давление в пласте. Анализ гидрогеологических условий продуктивных геотермачьных коллекторов Украины показал, что большинство этих коллекторов являются либо сла-ОоналорКам:, ш:5о безнапорными. Поэтому для промышленной добыли 1'еотермальных ресурсов Укрзхкы рекомендуется второй способ. Этот способ заключается я применен-/;! при добыче геотермального теплоносителя технических средств принудительного воздействия на продуктивный коллектор, таких, как погрудные насоси,газлифтные установки, системы возвратной закачки.В Украине опытная эксплуатация геотермального месторождения с применением методов интенсивного воздействия на пласт ведется на участке Янтарное, Нсноселовской терчоаномалькой площади Республики Крым. Следует отметить, чяо предлагаемая к освоении интенсивная технология по сравнению с фонтанной тзхкологией добычи позволяет:

1. Захоронить отработанные, содержащие вредные компоненты парогидротермы.

2. Поддерживать естественное пластовое давление и восполнять эксплуатационные запасы теплоносителя е разрабатываемом термоводоносном горизонте. Настоящее немаловажно, так как позволяет обеспечить охрану окружающей среды в районах эксплуатации геотермальных установок.

К сожалению, широкое практическое внедрение интенсивной технологии эксплуатации в настоящее время сдерживается уже на стадии проектирования, так как до сих пор не созданы надежные методы расчета динамики изменения в процессе добычи температуры, давления и расхода теплоносителя на устье действующих скважин, и так/'.-:- методы расчета динамики изменения во времени, температуры и давления в продуктивном пласте. Перечисленные параметры необходимы как для проектирования режимов работы наземного оборудования, так и для проектирования конструкции, схемы размещения, режимов эксплуатации и последовательности включения действующих скважин. Создание указанных методов расчетов и является предметом исследований настоящей диссертационной работы.

Ео второй главе рассмотрены результаты теоретических и экс-

- и -

периментальных исследований процессов теплопереноса в геотермальных коллекторах, выполненных с целью создания инженерных методов расчета- динамики изменения в процессе добычи пластовых температур и давлений.Показано,что в настоящее время моделирование процессов теплопереноса при фильтрации в геотермальных коллекторах осуществляется преимущественно на основе следующих двух подходов:

1. Концепции сплошной среды.

2. Структурного подхода.

При использовании первого подхода, реальная гетерогенная среда посредством процедуры осреднения - сводится к совокупности взаимопроникающих сплошных сред. При этом изменяется масштаб описания системы от точечного к макроскопическому,что позволяет пользоваться при расчетах среднеобъемными величинами, измеряемыми существующими приборами. Концепция сплошной среды применительно к-исследованию процессов тепломассопереноса в геотермальных коллекторах использовалась в работах О.А.Кремне-ва.А.В.Щурчкова, Ю.П.Морозова, Ю.Д.Дядькина, Э.И.Богуславского, Э.Б.Чекалюка, В.Н.Николаевского, Р.И.Нйгматулина, П.И.Лялько и других. Следует подчеркнуть, что имеющиеся математический аппарат и методы осреднения не позволяют пока с помощью концепции сплошных сред построить замкнутую математическую модель процесса.Поэтому в существующих работах замыкание выполняется в неявном виде с помощью привлечения дополнительных гипотез или соответствующих эмпирических коэффициентов. Последние являются весьма приближенными,так как при их определении практически невозможно выдержать условия подобия. .

При использовании второго, то есть структурного подхода, построение математических моделей осуществляется заменой реальной гетерогенной среды какой-либо идеальной правильной структурой, состоящей кз отдельных ячеек.и рассмотрение процесса в такой среде можно свести к задаче для одной ячейки. Причем для каждой иэ фаз такой ячейки решаются хорошо известные уравнения механики, сплошных сред, а на границах фаз задаются условия сопряжения. Отметим, что структурный подход моделирования тепломассопереноса в геотермальных системах использован в исследованиях

Л.Г.Наказной,Е.С.Ромма,Р.И.Пашкевича, В.А.Кудряшова,Г. П. Иванцова, Е.Я.Лйбова и других.

Учитьгазя то,что,как показано в работах Э.А.Бабинца.Э.Э.Собо-левокого, Я.Н.Кашпура и Ю.С.Застежко, термальные воды на терри-Украины мигрирует в осадочных, пористых коллекторах, формировавшихся иэ частиц шаровидной формы, процесс тепломасеопереноса схематизирован к процессу, происходящему в слое равновеликих шаров регулярной структуры с постоянными теплофиэическими свойствами. Настоящая схематизация позволила при построении математической модели тепломассопереноса . воспользоваться структурным подходом,-сведя' задачу неиэотермической фильтрации а геотермальном коллекторе к задаче для ячейки с единственной сферой. Тогда, для жидкости и шара в настоящей ячейке справедливы следующие классические уравнения теплопроводности:

= о (1)

с.ТГ-К^Х-'О о

Наиболее точными и общими для-' настоящей задачи являются граничные условия IV рода:

щ*

< 3 )

т -т

У

( 5 )

где {/ - действительная скорость течения жидкости;

• коэффициенты теплопроводности жидкости , и материала шара, соответственно; Т,, Тш - точечная (микроскопическая) температура жидкости и

«-у*

Г

контакта жид-

шара;

вектор внешней нормали к поверхности кость-шар;.

С*/ ¿ш " объёмные теплоёмкости жидкости и материала шаров.

Непосредственное решение уравнений (1) - (Б) весьма затруднительно, ввиду:1. Отсутствия информации о профиле скорости движения жидкости. 2. Необходимости выполнения достаточно сложных расчетов, требующих огромного количества машинного времени.

Так как.. при расчетах технологических показателей системы извлечения геотермального флюида необходимо определить как в произвольно выбранном сечении, так и на выходе из слоя не точечное (микроскопическое) значеней температуры жидкости, а ее среднеобъемную величину, пригодная для практического использования математическая модель получена путем осреднения существующими методами уравнения теплопроводности жидкости (1) по объему выбранной ячейки.В результате процедуры осреднения уравнения (1) с учетом уравнения (2) и граничных условий (3)-(5) получена следующая математическая модель течения теплоносителя в геотермальном коллекторе регулярной структуры:

* '

7/ г -V-

(е.

~ ё г п .

( 7 )

Ш.п I УГш7.Л ,

% п/'^мм^щ^ят^]г0 с 11

; 0 < V < 5Г; 0<в<£

( 8 ) ( 9 ) ( 10 ) (11)

т, = т, (И)

тл - 7« см»

Г -- С бм; .<">

%г-Т,н ; *=<?; V-(16) = ^; х*о; (16)

где г • - радиус шара-частички;

- поверхность контакта жидкости с шаром внутри кубического объёма;

■п - пористость;'

~\Г - объем кубической ячейки;

аи - коэффициент температуропроводности материала шара;

Т* - средняя,по поверхности контакта шар-жидкость температура шара;

/ - эффективный коэффициент теплоотдачи, определяемый на опытной установке, моделирупцей рассматриваемые условия теплообмена. Значок У".■ ооэначает "любой".

-1? -

При выводе модели (6) - (16) приняты следующие допущения:

1. Пренебрегается теплопроводностью в жидкости в направлении ее движения, а также теплопроводностью скелета порода вдоль направления фильтрации.

2. Положение центра объема осреднения выбирается таким образом, что выбранная ячейка включает каждый раз единственный шар, то есть х - т0 (1 + К), где К » О,1,2...п.

Следует отметить, что в записанной модели изначально принята предпосылка о ламинарном характере течения теплоносителя в проницаемой среде. Однако, в реальных условиях под воздействием изменения температуры и, соответственно, теплофизических свойств фляида, закон течения может нарушаться. Причем, как показано С.Швезером, нарушение лашнарности течения происходит в основном за счет изменения вязкости флюида. Учитывая вышеизложенное, для температурных условий геотермальных коллекторов Украины выполнено теоретическое исследование применимости ламинарного закона течения при математическом описании процессов тепломассоперёяоса. Это исследование заключалось в выводе путем осреднения по объёму уравнения сохранения импульса установившегося потока сжимаемой ньютоновской жидкости, выражения для закона движения в проницаемой среде в явном виде учитывающего градиенты вязкости и температуры. Сравнение полученного выражения с иавестным уравнением Дарси показало, что в нем дополнительно присутствуют линейные и квадратичные члены по градиенту температуры. Степень влияния на скорость течения дополнительных членов определена с помсицью анализа чисел вязкой неизотермичности потока. Расчеты этих чисел для диапазона изменения проницаемости коллектора от 30 мд до 100 ид, расстояния между, нагнетательными и эксплуатационными скважинами от 100 до 1000 метров, разницы температур пласта и закачиваемой жидкости от Io С до 100"с показали, что при математическом описании процессов тепломассопереноса, характерных для геотермических условий Украины, правомерно использовать линейный закон фильтрации.

Предложенная математическая модель (6)-(1б) решена для случая одномерной фильтрации численными методами. Составленная про-

грамма позволяет рассчитать динамику изменения во времени: 1. Температурного поля в разрабатываемом геотермальном коллекторе. 2. Температуры теплоносителя на контуре отбора из добычных скважин. Кроме того, составленная программа позволяет рассчитать время эксплуатации добычных скважин в режиме постоянной температуры. Отметим,что динамика изменения температуры жидкости и пласта, а также момент времени начала охлаждения теплоносителя па контуре отбора являются, наряду с давлениями и расходами на устье действующих скважин, технологическими показателями системы извлечения. Расчеты этих . показателей при составлении проекта геотермальной установки выполняются на базе исходных данных, определяемых при геологоразведочных работах. Опыт проектирования показывает, что часто при геологоразведочных работах измеряются не все требуемые для расчетов и проектирования исходные параметры. Такие важные параметры, так: коэффициент теплопроводности материала частиц пород, действительная скорость фильтрации флюида, размеры частиц измеряются весьма редко и выбираются интуитивно, исходя из имеющихся немногочисленных лабораторных измерений. В этой связи выполнена оценка плиянн;* па результаты расчетов по предложенной программе отклоиеила вшеперечисденных ¡'.сходных параметров. Эта оценка пропоис^'-на путем вариантных расчетов для диапазона значений коь^фкциента теплопроводности пород от 4,1 Вт/м•град до 5,8 Вт/м.град,радиуса блоков-частиц от 1 м до 30 м,скорости фильтрацш! от 0,0 м/сут до 0,02 м/сут. Анализ расчетов показал, что время эксплуатации геотермальной теплоиспользующёй установки в режиме постоянной температуры теплоносителя зависит от ско^сти фильтрации флюида и размера Ьлокоз или частиц пород. Следовательно, эти параметры должни выбираться для проектных расчетов как можно более точно,на основании результатов полевых измерений. Изменение же в указанном диапазоне теплопроводности пород не сказывает существенного влияния на результаты вычисления времени работы геотермальной установки в режиме постоянной температуры, и этот параметр может быть выбран на основании приближенных данных по существующим таблицам.

Процесс тепломассопереноса при движении жидкости в слое равновеликих шаров экспериментально исследован с помощью специ-

с

ально изготовленной лабораторной установки, блок-схема которой показана на рисунке 2.

Целью экспериментальных работ явилось: 1. Получить подтверждение достоверности расчетов, основанных на использовании разработанной математической модели(В)-(1В).2. Измерить значения используемых при вычислениях эффективных коэффициентов теплоотдачи.

1-»мтротитая, а-териостат; э-иоЭсдь сао, шаров *-кран, з-слимой 5аюк; б-злектрмвсчий првсгаракаватг»». 7*Э5М(«ип>ютер) 1

Рис.2.

Сконструированная и изготовленная лабораторная установка представляла собой прямоугольный короб,в котором последовательно улолены имитирующие проницаемую пористую среду четвертинки шаров. Рабочая жидкость, двигаясь вдоль короба, омывала уложенные четвертинки паров, охлаждая их. Происходящее при этом иэые-ение температуры жидкости и четвертинок шаров фиксировалось с помощью датчиков-термопар,расположенных;как в жидкости (посередине мэиду шарами и на поверхности шара),так и в четвертинках шаров (в центре, ка половине радиуса и у поверхности,шара). Выполнено 36 экспериментов,отличавшихся между собой скоростью течения жидкости^ 0,47 ш/сек до 7 мм/сек),и материалом,из которого изготовлены вары (туф, диорит,оргстекло). Для каждого эксперимента построены кривые изменения во времени температуры в жидкости и в разных точках четвертинок паров. Аналогичные кривые построены

для условий каждого иа опыюв с использованием расчетных методов по предложенной модели.На рисунке 3 показано сравнение расчетных и экспериментальных кривых для нескольк/.х опытов. Как видно из приведенных графиков, экспериментальные и расчетные данные имеют удовлетворительное совпадение,что подтверждает .достоверность принятой кр;ш,5птуагьнсй и :: почтенной математической модели. Отклонение расчетных и экспериментальных значений не превышает 10"

С?№Ш£ РАСЧЕТНОЙ , и ЭКСПЕРимЕНШЫЮ и1МЕРЕ1Ш0Й ТЕМПЕРАТУРЫ

ю уя

—-- температур«

.О жаЗЛспи » «внгпр*__мм«5ди _ „„„.л

;□ в ц«птр> первой, "третьей) и шестою от виооа глоког- нозми

Рис.3.

Используя созданную лабораторную установку, выполнено измерение средних- по поверхности коэффициентов теплоотдачи для слоя саров регулярной укладки е диапазоне изменения числа Рейнольдса

г 5

4-10 < Ре < 2-10 . При обработке полученных экспериментальных данных и вычислении коэффициентов теплоотдачи использована известная методика, основанная на теории регулярного режима охлаждения.Выполнено сравнение измеренных в опытах величин коэффициента теплоотдачи с результатами вычислений по существующим критериальным савист,'остям Р.Г.Богоявленского и А.Р.Чечёткина. Установлено, что для расчетов среднего пс поверхности коэффициента тепло-лсотдачи слоя шаров регулярной угладки в диапазоне 4-10 <г!е<2• 10 еоэмолно применение зависимости Р.Г. Богоявленского, полученной им для 2« 10*< Не < 2,5-юГ Величина коэффициента теплоотдачи, измеренная б экспериментах составляет :длг: шаров из оргстекла оргстекла 275-290 Ет/(1,'Л К),для шаров кз туфа 400-650 Вт/(н• К) для шаров из диорита 700-840 Зт/(мг- К).

В третьей главе рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов течения теплоносителя в стволе геотерыа."мгай скваялны. Показано; что одной из важнейших вадач, возникающих при расчетах геотермальных теплоэнергетических установок, является задача определения эксплуатационных характеристик на устье или забое действующих скважин. Иод эксплуатационными характеристиками покимаатся изменяющиеся во времени давление4расход и энтальпия выводимого скважинами теплоносителя.

Решение указанной задачи невозможно без достоверной математической модели процесса вертикального течения перегретого флюида в ствол? геотермальной скважины.В настоящее время при математическом моделировании рассматриваемого процесса используется два подхода: структурный подход и концепция сплошной ср^Ды. Первый подход.развивается в работах Н.ТасЫтоп, А.Ра1ас1о-Регег, А.В.Штанинавторой - в работах М.^и, Р.Л.Нпгматулина, С.С.Кутателадзе, В.Н.Николаевскогс, А.В.Шурчкэва, В.А.Кудряпова, А.Н.Щуляпина.'

Используя концепцию сплошной среды, с помощью методов пространственного осреднения классических уравнений баланса импульса, массы, энергии получена следующая математическая модель

течения двухфазного теплоносителя в стволе геотермальной скважины, учитывающая теплообмен ствола скважины с окружавщим горным массивом: Уравнение сохранения массы (неразрывности)

ТЕ ЯА * - Ъ ифк - Л А (17)

Уравнение сохранения импульса (движения):

Уравнение сохранения энергии: - ^ ЫпГп -ц

где ^ и ^ - средние по сечению скважины объемные концентрации пара и воды; к (¡2 - средние по сечению скорости фаз в направления течения;

Хп и " средние напряжения трения ка стенке скважины;

и - энтальпия пара и воды; а и а.& - осредненный тепловой поток от паровой и жидкой ' фаз на стенке геотермальной скважины.

Система уравнений (17)-(19) решена численными методами. Для замыкании использованы известные эмпирические формулы вычисления коэффициента трения, скоростей скольжения фаз, касательных напряжений и объемного паросодержания. В качестве уравнений состояния применялись известные уравнения состояния для воды и пара. На устье скважины ваданы следующие граничные условия:

. ~ 2* -' Р = pwre const (22)

где Д - диаметр скважины.

На стенка скважины задано условие равенства тепловых потоков от пара и жидкости к горному массиву:

\ 21« - j \ Ш + / \ Ш faax

If«- -TJ*. ; t>0;i'-r«i (24)

где Тп, Тв, Тм - температуры пара, жидкости ^массива, осредневные по объёму.Тм определялась ив решения следующей сопряженной задачи:

UliL - о + 2ÍS}

(2Б)

Условие на поверхности:

í ■

Тм - Тпов; Z»0jt>0}0<Z< с**» (26)

Условие «а забое:

'Тм - Тпласта - Тпов + ГН; t - 0; 0 < z < с>° (27)

* Условие на бесконечно удаленной боковой границе массива по-

род:

- 2 5 - •

Тм = Тпов + ГН; О < Z < Н; t > О; г ^ (28)

Для реализации граничного условия на стенке скважины использован следующий прием: в момент времени t равный.нулю, на стенке скважины задается распределение температуры по глубине, соответствуйте невсгмущенному тепловому пол» массива непроницаемых пород и равное линейному геотермическому градиенту: Тега « То + TZ. На первом шаге по,времени t выполняется численное иктегрирова-чие системы одномерных уравнений сохранения массы,движения и.энергии для потоков флюида в стволе геотермальной скважины при .значении теплового потока на стенке, соответствующем потоку тепла от невозмущенного теплового поля массива окружающих пород. Таким образом, в первом приближении определяется температура флюида," то есть температура на стенке скважины Текв.- Задаваясь а качестве граничного условия этой температурой для первого временного шага» решается задача нестационарной теплопроводности (25)-(28). Её решение позволяет вычислить новое распределение температуры в массиве и,в том числе,, изменение с глубиной температуры на стенке скважины Тпор=Т¿j . Задаваясь новым распределением температуры по глубине скважины, повторно для первого (или любого последующего) временного шага решаются уравнения сохранения,но уже с новой величиной теплового потока (второе приближение). Описанная иттерация на каждом временном шаге выполняется до тех пор, пока разница между расчетными значениями не достигнет заданной погрешности. После этого аналогичные вычисления 'выполняются ка следующем временном шаге.

Достоверность предложенной математической модели и составленной на её основе программы численных расчетов энтальпии и давления на устье или габое геотермальной скваг^ны подтверждена путем сравнения результатов вычислений с данными, полученными при опытных работах на пароводяных скважинах Паужетского геотермального месторождения Камчатской области России. Эксперименты . выполнялись на скважинах N 122, К-15, К-20., В качестве аппаратуры для исследований в стволе геотермальных Скважин использована стандартная геофизическая станция АЭКС-1Б00, дополнительно укомплектованная высокотемпературным кабелем и термометрами

- 2Б - '

ТС-300 (точность измерений + Б-вС). Давление на устье скважин' измерялось манометрами типа МТ-160. Расход пара определялся . с помощью стандартной диафрагмы, перепад давления на которой фиксировался о помощью У-образного ртутного дифманометра. Расход отсепарированной жидкости измерялся водосливным лотком.На рисунке 4 приведена схема расположения контрольно-измерительных приборов, задействованных в ходе экспериментов.

С«ема ойоруЗобшшя снажии при экспериментальны» работах.

I Ствол сиважины; г.Манометр; 3 5,» ЗоЭвихт; 4 мори»атор; И Скважиппый титр, 6 Сепаратор, 7 дибшоагка; югмшителб; 9. -боЗЗсливнов Чото»; И.лсоглса

Рис.4.

Методика проведения экспериментов принята следующей:

1. Остановка скважины с помощью устьевой задвижки.

2. Через верхнюю устьевую задвижку и лубрикатор 4 в скважину на геофизическом кабеле опускался зонд.

3. Закрывалась задвижка б и открывалась задвижка 3. Производился спуск вонда на геофизическом кабеле с помощью лебёдки 12 на рабой скважины.

4. Скважина возбуждалась открытием задвижки 6. С помощью задвижек в регулировалась работа сепаратора в одном кэ заданных режимов.

Б. После стабилизации всех устьевых параметров, считалось, что соблюдается заданный режим, и выполнялся подъем ьонда до

уровня начала парообразования. При этом измерялось давление на устье, уровень воды в лотке 9, давление и перепад на диафрагме паропровода.

6. При достижении измерительным зондом уровня начала парообразования зонд опускался вниз. Задвижкой 8 регулировался следующий из запланированных режимов работы скважин. После стабилизации устьевых параметров начиналось новое измерение.

. Систематизированные и обработайные экспериментальные данные в дальнейшем использовалисть для определения:

1. Фактической глубины уровня начала папрообразования..

2. Энтальпии и массового расхода пароводяного потока, необходимых для теоретических расчетов глубины уровня начала парообразования по предложенной методике.

Фактическая глубина уровня начала парообразования определялась по резкому изгибу кривой резистивиметрии в скважине. Энтальпия пароводяного потока определялась га основании данных термометрии в непосредственной близости от уровня парообразования с использованием таблиц термодинамических свойств воды. Массовый расход теплоносителя рассчитывался по формуле:

Ов

О - (29)

1-х

где 0 - искомый расход пароводяной смеси;

Ов - расход воды после сепарации на водосливном лотке. Учитывая то, что расход воды определялся путем замера на водосливном лотке при атмосферном давлении, массовое расходное паросодержание рассчитывалось по зависимости:

I - 1ва

X -.......- (30)

г а

где I - энтальпия смеси, определяемая по термограмме;

Гва - энтальпий воды на линии насыщения при атмосферном дав-' лении, определяемая по таблицам термодинамических свойств воды и всдяного пзра; г - теплота фазового перехода при атмосферном давлении, так а же определяемая по таблицам термодинамических свойств

воды и водяного пара. Всего при экспериментальных исследованиях сделано 10 опытов: по четыре на скважинах К-1Б и 122 и два на скважине К-20. На рисунке 5 показаны измеренные в опытах на скважине К-15 эпюры термометрии и реэистивиметрш с указанием расчитанного теоретически значения величины уровня парообразования.

Резмыпогпы термометрии и режсти&иметрии по «»ажине К-15

lïOMiMKcmTt îMiweoieoTOT'C

l.TepnoMempm; 2 PiiucmuluMemoua, о,6.t;l ~ •necioe,tmoooe,третье и четвертое испытание соогтстсткчно

---Расчетное рачение величины УРОвиО

napooopasotaitus.

РИС.Б.

В таблице 1 приведены результаты расчетов и намерений В экспериментах глубины уровня парообразовния в скважинах Паужет-ского-месторождения парогидротерм.

Таблица 1.

Сравнение расчетной и измеренной при экспериментах величины глубины уровня начала парообразования

1 . 1 !

| Номер | Номер Глубина уровня'начала парооб- |Относитель-|

|скважины (испытания разования, м |ная погреш-|

-1- •|ность вычис|

измерения | расчет |лений, 7. | 1

1 К - 15 | 1 45 | БО 1 + 11 1

1 2 50 | 48 1-4 1

| 3 49 | 51 ] + 4 |

1 4 36 | 47 |-31 ) 1

! К - 20 1 1 96 | 95 1"1 1

1 2 109 | 127 |+17 |

| 122 | 1 300 | 298 1-1 1

1 2 290 | 287 1-1 1

1 з 310 | 278 |-10 |

1 4 300 | 268 1 -'11 1

| 1 I 1 1

Как видно ив приведенной таблицы и рисунка Б,относительная погрешность расчетов уровня начала париобразовак"я по предложенной методике не превышает 31Х что может служить подтверждением достоверности предложенной математической модели.

Путем вариантных расчетов исследовано влияние на точность

вычислений глубины уровня парообразования, изменения величины' энтальпии теплоносителя и абсолютной шероховатости стенок скважин. Расчеты проводились для диапазона отклонения энтальпии от заданного значения ка 21 кДя/кг. Абсолютная шероховатость стенок скважины изменялась от 0,1 мм до 2 мм. Результаты расчетов показали, что точность вычисления глубины уровня парообразования в геотермальной скважине существенно вависит от задаваемого на основании опытных измерений значения энтальпии теплоносителя и практичеиги ке зависит от значения абсолютной шероховатости обсадной колонны.

С помощью предложенной методики проанализирована интенсивность теплообменник процессов между скважиной и. окружающим ее горным массивом. Установлено,что прогрев окружапцих горных пород практически завершается при Ро>30-10 что для реальных конструкций геотермальных скважин соответствует 1,8 года. По окончанию этого периода тепловой поток от скважины становится незначительным и не вависит от конструкции скважины, расхода и температуры теплоносителя.

В четвертой главе приведены результаты экономического анализа эффективности эксплуатации геотермальных установок,построенных для извлечения и использования ресурсов парогидротерм Украины и Камчатской области, Россия. Анализ выполнен с применением методик и программ расчетов, изложенных в диссертации. Сравнение расчетных технико-экономических показателей идентичных по'теплопроивводительности геотермальных установок и установок, работающих на органическом топливе показало, что промышленное извлечение и использование для целей теплоснабжения геотермальных ресурсов Украины и Камчатской области залегающих на глубинах до 2500 метров экономически эффективно. Несмотря на то, - что удельные приведенные затраты ка создание геотермальных установок в 1,6 ;.. 2 раза превышают аналогичные эатраты для топливных котелен,за счет более низкой себестоимости (себестоимость геотермальной теплоты в 2...3 раза ниже себестоимости теплоты, вырабатываемой топливными котельными) геотермальные установки имеют значительное экономическое

преимущество.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненных исследований позволил:: разработать методы расчета технологических показателей систем извлечения для геотермальных установок с возвратной закачкой отработанного ■ теплоносителя. Основные выводы, настоящей работы сводятся у. сл°дутому:

I. В области создания методов расчета тепломзссоперепоса в геотермальных'коллекторах

1. Существующие в настоящее гремя два подхода моделирования тепломассоперекоса в проницаемых средах (структурный и концепция сплошной среды) в равной степени имеют как свои недостатки, !гак и свою практическую' ценность. В модели сплошной среды центральной остается проблема замыкания (модель эамкнут.ч только для квазистационарного случая) - сба^ш проблема механики гетерогенных сред. Структурные же модели оказываются эффективными только в 'самых простых случаях. Использование их в практике инженерных расчетов требует значительных затрат машинного времени.

2. На основе структурного подхода методами объемного осреднения классических уравнений' теплопроводности получена математически строгая постановка трехмерной нестационарной задачи тепло-переноса в теплоизолированной гетерогенной среде, представляющей собой объем, заполненный шарами одинакового радиуса с регулярной кубической укладкой. В результате упрощения сформулированной задачи записана система уравнений, описывающая нестационарный теп-лоперенос при одновременной фильтрации в слое шаров одинакового радиуса с кубической укладкой без учета теплопроводности в жидкости и теплопроводности через контакты сфер.

3.Установлено, что для большинства задач теплообмена в проницаемых породах, решаемых при прогнозировании технологических показателей систем извлечения геотермального теплоносителя, спра-

еддиво допущение о постоянстве скорости фильтрации в породе и ламинарном характере течения флюида. ' ' •' <

4. На основе разработанной математической модели предложе -

на методика определения технологических показателей систем извле-' чения геотермальных установок.Используя данную методику, выполнен расчетный анализ влияния на технологические показатели систем извлечения коэффициента теплопроводности материала частиц пород, их размеров и действительной скорости фильтрации. В результате'установлено, что действительная скорость фильтрации и размеры частиц пород существенно влияют на технологические показатели систем извлечения. Изменение теплопроводности материала частиц пород влияет га интенсивность теплообмена в системе 'жидкость-скелет породы, однако не оказывает влияния на время работы системы в режиме постоянной температуры.

Б. В результате экспериментального исследования динамики изменения во времени и в■пространстве температуры жидкости, закачиваемой в сдой частиц, имеющие отличную от жидкости температуру, установлено:

г.) между гидродинамическими параметрами фильтрационного потока и температурным полем существует жесткая взаимосвязь, которая определяет необходимость совместного решения тепловой и гад-родинамической задач.

б) характер изменения во времени температуры ч частицах пород и' в жидкости позволяет разделить процесс теплообмена между движущейся жидкостью и частицами на три- периода: период отсутствия теплообмена,период интенсивного теплообмена и период слабого кваэистационарного теплообмена.

в) среднеобъемная температура частиц, слагающих проницаемый слой, с момента начала охлаждений превышает температуру жидкости, что говорит о необходимости учета при математическом моделировании градиента температур в твердой фаае.

г) кривые ивмёнения ео времени температуры в жидкости,« в твердой частице, полученные экспериментальным путем и в результате расчетов по предложенной математической модели, имеют удовлетворительное совпадение. Отклонение расчетных и опытных значений ке превышает 11 ОХ, что позволяет рекомендовать'.'^-предложенную математическую модель и составленную на . её основе программу для расчетов технологических характеристик систем иэвлечэния геотермальных установок.

6, Экспериментально определены значения коэффициентов■теплоотдачи в слое шаров одинакового радиуса, регулярной укладки в ди-апааойе 4-10 < Яе < 2-10'. Доказано, чт^ полученная Р.Г.Богоявленским эмпирическая критериальная зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи в слое шаров регулярной, структуры при." годна для диапазона 4-10 < йе < 2*103 .Использование зависимости , В.А.Чечеткина дает в указанием диапазоне овибку а расчетах ± 60%.

П. В области создания методов расчета термогидродинами-' ческих характеристик пароводяных скважин ., . .

1. Установлено, что существующие представления о течении пароводяной смеси в вертикальных трубах, могут, быть приняты аа основу при описании механизма работы геотермальных скважин в режиме , парлифта. . •••.

. 2. На основе концепции сплошной среды и, используя . классические уравнения, Описывающие процессы тепломасеопереноса, получена строгая математическая модель течения теплоносителя в стволе геотермальной скважины, записанная через микровеличины, и учитывающая теплообмен ствола скважины с окружающим ее горным массивом. Непосредственное использование для расчетов геотермальных установок полученной системы уравнений, описывающей процесс в локальных' или микровеличинах,проблематично ввиду: а)трудностей га-писи начальных и граничных условий для локальных вэличин;б) невозможностью точно описать поведение межфазной границы (пар-вода) • в реальном, потоке, которое зависит от режима течения теплоносителя.

Для труб большого диаметра, .. каковыми являются геотермальные скважины, режимы течения мало исслэдованы. Но даже если бы были установлены закономерности поведения межфазных границ, численный расчёт пй предложенной модели был бы крайне Ч-эхнически сложен, потребовал бы мощной вычислительной техники и длительного времени счета. Полученная модель применена далее для вывода математической модели в среднеобъемных эффективных величинах, которые не-лссредственно измеряется существухщиш приборами. ,

3. РГспольауя существуищий ыатематйчеекзй ч аппарат-,выполненс . пространственнее осреднение полученной для микровеличин математической модели. В результате записана постановка задачи течения

теплоносителя ь стволе геотермальной скважины, в которой используются среднеобъемные величины. Задача вамкнута с помощью известных эмпирических зависимостей для истинного объемного паросодер-мания и касательных напряжений.

4. Разработана методика определения термогидродинамических характеристик флюида на устье (забое) геотермальной скважины,учи-тыващая теплообмен ствола скважины с окружающим горным массивом. Для проверь предложенной методики выполнено сравнение результатов вычислений с данными полевых измерений. Совпадение результатов удовлетворительное. ..."

Б. Установлено, что точность расчетов в первую очередь зависит от погрешности определения величины энтальпии, .. закладываемой в расчет иэ опытов.

6. Оценка влияния шероховатости обсадных "труб на результаты расчетов уровня парообразования показала, что при изменении шероховатости в 10 раз (от 0,1 до 1 мм) уровень начала парообразования изменяется в 1,33 раза.

7. Устойчивость численного расчета по составленной програше обеспечивается при шаге по глубине менее 1 метра. Рекомендуемый шаг разбивки по -времени (в секундах) должен быть меньше 1000 шагов разбивки (в метрах) по координате Z, в противном случае возможна неустойчивость численного решения рассматриваемой задачи.

. ä. Установлено, что при расходах теплоносителя до 60 кг/сек и времени работы скважины более 1,8 года теплообмен между скважиной и окружающим массивом стабилизируется и практически перестает оказывать влиянйе на результаты расчетов.

III. Используя разработанные методики, расчитаны технологи^ ческие параметры систем извлечения для геотермальных установок, планируемых к строительству в равных гидрогеологических условиях. Используя эти.параметры, определены ожидаемые технико-экономические характеристики геотермальных установок. Анализ этих характеристик показал целесообразность их строительства,а также их конкурентноспособность в сравнении с тепловыми установками, работающими на органическом топливе..

Результаты работы изложены в 31 публикацияи, иэ которых основными являются*.

- 35 - ...

1. Щурчков A.B.., Морозов Ю.П., Забарный Г.Н. "Исследование нестационарного теплопереноса при закачке теплоносителя в естественный пористый коллектор через систему правильно расположенных скважин". В сб. "Численные методы решения задач. теплопереноса'\ ИТТФ АН УССР, Киев, 1974 г., с. 13-20.

2. Забарный Г.Н., Кудряшев В.А., Гайдаров Г.М. "Математическая модель.двухфазного течения теплоносителя в стволе геотермальной скважины". г.Петропавловск-Камчатский, 1992 г., 64 с.

3. Забарный Г.Н., Шшкевич Р.И. "Теоретическое исследование движения пароводяной смеси при неизотермической фильтрации в проницаемой среде". В сборнике "Геология и технология энергетических ресурсов Украины""Еаукова думка",Киев, 1988 г., с. 33-45.

4. Забарный Г.Н. ,Щулшин А.И., Гайдаров Г.М. "Определение фильтрационных параметров термоводоносных коллекторов по данным испытания пароводяных скважин".Препринт 89-1, г.Петрспан-ловск-Кэмчатский, 1989 г., 59 с.

Б. Забарный Г.Н., Гайдаров Г.М. "Роль геотермальной энергии в топливно-энергетическом комплексе Камчатской области".Препринт 89-2, Петропавловск-Камчатский, 1S89 г., 153 с.

6. Забарный Г.Н., Кудряшов В.А., Гайдаров Г.М, "Механизм работы пароводяной скважины и Методы его моделирования", г.Петропавловск-Камчатский, 1990 г., 49 с.

7. Забарный Г.Н., Бурагансв A.B., Гайдаров Г.М. "Результаты поисковых работ на геотермальные ресурсы в г.Петропавловск -Камчатский", г.Петропавловск-Камчатский, 1990 г.,. 124 с.

8. Трусов В.П., Гайдаров Г.М., Забарный Г.Н. "Техника й технология геотермальной энергетики", г.Петропавловск-Камчатский, 1990 г.,130 с.

О. Эаварньй Г.Н., Гайдаров Г.М., Щушша К.И. "перспективы использования геотермальных ресурсов в топливно-энергетическом комплексе острова Парамушр (Сахалинская область)", г.Петропавловск-Камчатский, 1991 г., 80 с.

10. Щурчков A.B., Белодед В.Д., Забарный Г.Н., Гайдаров Г.М. "Возможности и перспективы геотермального теплоснабжения на тер- ■ ритории Украины". г.Петропавловск-Камчатский, 1992 г., 53 с.

11. Забарный Г.Н., Пашкевич Р.И., Гайдаров Г.М."Нестационар-

кый теплоперенос в слое шаров одинакового радиуса", * г.. Петропавловск-Камчатский, 1992 г. ,44 с;

12. Забарный Г. Е , Пашкевич Р. й., Гайдаров Г. А1 "Математические модели теплопереноса при фильтрации в теплоизолированных проницаемых средах", г. Петропавловск-Камчатский, 1992 г., 4'8 с.

13. Забарный Г. а , Щунина ЕИ. , Гайдаров Г. М., Чалаев Д. Р. "Верхне-Паратунское месторождение термальных-вод Камчатской области и его разработка", г.Петропавловск-Камчатский, 1992 г., 131 с. •

14. Забарный Г. Е , Щурчков А. Е , йрис А. А.,. Гороховым. И. , Магдалена Перес "Оценка эффективности комплексного использования геотермальной скважины N . Г месторождения Сан-¿синто (Никарагуа)". Киев, 1994 г., 51 с.

Личный вклад. В трудах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат: в{1 - 4 И I12!' постановка задачи, вывод-основных соотношений и обобщение результатов. в1б]Д7] - Ьд), 114]-: постановка задачи, основные идеи й обсбдение результатов.

АНОТАЦШ

Забарний Г. М. Метода розрауунк 1 в процес i в тепломасопереносу у системах видобування геотермально! енергП.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня доктора техн1чних наук si-спец1альност1 05.14.08 - перетворення в1дновлюваних вид1в енергП 1 установки на ix основ!. Ыдд1лення високотемпературного перетворення енергП 1нституту проблем ёнергозбереження НАЛ Ук-ра1ни,. Ки1в, 1995.

Захищаеться 31 наукова робота, в яких мЮтяться реэультати наукових та експериментальних дослижень теллообм!ну п1д час руху теплояос1я.у геотермальному Шдземному. пласт1 та геотермальна свердловинз. Побудован! HOBi математичн! юдел1 процесу теплопере-носу у пЧдэемному колектор1 та свердловия1! 3 використанням цих моделей розроблено методику розрахунюв технолог 1чнихлоказник1в геотермальних установок. Наведен! реэультати експериментальних досЛ1джень по визначенн» емшричних коеф1ц1ент1в, необх)дних для замкн«ння розроблених Математичних моделей.

ANNOTATION

Zabarr.y G. N. The methods o'f Calculation processes heat-mass transfer at the systems of extraction of- geotherirel energy.

Dissertation for seeking of doctor science degree on 05.14.08 - Transforming of renawble species of energy and .installations on these base. Department of'high-temperature transform energy, of the Institute of Problems of Saving Energy of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 1995.

31 scientific works are submitted, which contain the results of scientific and experimental researches of heat transfer in geothermal stratums and wells. The creation of new mathematical models of heat transfer in geothermal stratums and wells. These mathemat ical models are used for creation of new calculation methods for technological indexes of geothermal plants. Conduct results of experimental researches and definition of empirical coefficients for brink up creation mathematical models. .

Ключов! слова: геотермальна установка,, п1дземний колектор, геотермальна свердловина, математична модель, .коеф!Ц1ент • теп-лов1ддач1.