Файл: Ширковский, А. И. Добыча и подземное хранение газа учебное пособие.pdf

с подачей рассола на поверхность погружными насосами или вы­ теснением сжатым воздухом.

Циркуляционный метод размыва основан на способности соли растворяться при омывании ее поверхности пресной или слабо­ минерализованной водой. Каменная соль очень хорошо раство­ ряется в пресной воде. Так, при 20° С в 1 м3 воды может раство­ риться 358 кг соли. Для образования 1 м3 емкости в среднем требуется 6—7 м3 воды.

Растворение соли представляет собой гетерогенную реакцию, идущую в диффузионной области. Условие реакции — отвод рас­ творенной субстанции от реакционной поверхности в массу рас­ творителя.

При неразрывном течении растворителя составляющая скорости течения на реакционной поверхности близка к нулю, поэтому на ней образуется пограничный слой рассола (область конечной тол­ щины, характеризующаяся неоднородностью поля скоростей и интенсивностью действия сил внутреннего трения, а также нали­ чием градиента концентрации). В пограничном слое происходит молекулярная диффузия под действием градиента концентрации, а также свободная и вынужденная конвекция. В результате этого интенсивность массопередачи от твердой стенки через пограничный слой в массу растворителя зависит от диффузионных и гидро­ динамических процессов.

Опыты показали, что при угле наклона реакционной поверхно­ сти к горизонту больше 90° наблюдается отрыв струек рассола от пограничного слоя, а при угле 180° пограничный слой прак­ тически отсутствует, так как насыщенный рассол в виде отдельных струек стекает вниз. В промежутках между этими струйками рас­ творитель соприкасается непосредственно с твердой поверхностью. Массообмен в этом случае зависит только от скорости химиче­ ского взаимодействия на контакте соль — растворитель и, есте­ ственно, более интенсивен, чем при наличии пограничного слоя. В результате размыв потолочин емкости происходит быстрее, чем боковых стенок и особенно днища (подошва пласта) емко­ сти. Экспериментальными исследованиями, проведенными во ВНИИПромгазе, было установлено, что линейная скорость раз­ мыва поверхности уменьшается от 0,7—0,8 см/ч у потолочины до

0,06—0,12 см/ч у днища, т. е. в 8—10 раз.

Описанный механизм размыва подземной емкости приводит к закономерной тенденции образования конусообразных емкостей (с основанием конуса наверху). Такая форма емкости может при­ вести к обрушению потолочины даже при небольших объемах емкости.

Из горной механики известно, что наиболее прочными и устой­ чивыми формами горных выработок являются сфероидальные или

167

газообразного продукта, который легче воды и химически ней­ трален к соли и ее водным растворам. В качестве жидких нерастворителей используют нефть, керосин, дизельное топливо, сжи­ женный газ; газообразные нерастворители: воздух, природный газ, инертные газы (COs и др.).

К преимуществам газообразных нерасгворителей относятся: простота регулирования и управления потоками, расходами и давлениями; возможность хранения без наземного хранилища и предварительной «отмывки» емкости; возможность программирова­ ния и автоматизации процесса размыва; относительно низкая стоимость нерастворителя и процесса размыва.

Недостатками нерастворителей являются: опасность разруше­ ния потолочины; перемешивание с хранимым продуктом; выпуск газа в атмосферу при снижении давления в хранилище при подъ­ еме труб.

Управление процессом размыва осуществляется изменением положения концов колонн труб, изменением направления и скоро­ сти потоков растворителя, регулированием концентрации рассола на входе и выходе из емкости, перемещением контакта рассол — нерастворитель, а также интенсификацией растворимости соли. При выборе технологической схемы размыва исходят из наилуч­ шей управляемости процессом при оптимальных технико-экономи­ ческих показателях с учетом горно-геологических условий и технической оснащенности.

Условия применения циркуляционного метода размыва суще­ ственно отличаются в массивах каменной соли и в местах огра­ ниченной мощности. Если при размыве емкостей в массивах использован опыт добычи каменной соли размывом, то способы сооружения подземного хранилища в пластах ограниченной мощ­ ности (5—30 м) разрабатываются начиная с 60-х годов.

Схемы различных способов размыва подземных емкостей при­ ведены на рис. 42 и 43.

Струйный метод размыва основан на способности соли рас­ творяться под действием потока воды. При этом в зоне действия струи пограничный слой срывается и растворение соли происходит более интенсивно, чем при циркуляции растворителя. Управление струями позволяет получать камеры строго заданной формы, кото­ рые даже на значительных глубинах могут быть устойчивыми при атмосферном давлении в них.

Этот метод размыва реализуется следующим образом. Бурят скважину до проектной глубины. На забой опускают погружной электронасос с колонной рассолоподъемных труб. Водоподающая труба имеет по всей высоте создаваемой емкости отверстия с на­ садками. Размыв емкости происходит при орошении стенок струя­ ми, выходящими из насадок. Водоподающую колонну или систему вращают, одновременно регулируя напор струй. При струйном методе размыва диаметр камер составляет 15—20 м, а глубины таких емкостей не превышают 300—500 м.

168

20 2/

Рис. 42. Технологическая схема соо­ ружения подземной емкости в отло­ жениях каменной соли ступенями сверху вниз:

Рис. 43. Схема размыва каверны в соляном пласте малой мощности с помощью двух скважин:

а — соединение забоев наклонно-нап равлен ­ ной и вертикальной скваж и н ; б — период р азм ы ва ем кости при переменном изм ене­ нии направления движ ения растворителя и р ассол а ; в — период эксплуатации ем кости; 1 и 2 — эксплуатационны е и обсадн ы е ко ­

лонны труб

в

169

Т е о р е т и ч е с к и е о с н о в ы п р о е к т и р о в а н и я

р а з м ы в а п о д з е м н ы х е м к о с т е й в о т л о ж е н и я х к а м е н н о й с оли

Теория размыва подземной емкости в соляных отложениях позволяет получить зависимость концентрации рассола на любом этапе формирования емкости от расхода растворителя и сроков размыва.

Зависимость между пространственно-временными изменениями концентрации растворителя C= f(x, у, г. т) описывается диффе­ ренциальными уравнениями: диффузионного и конвективного пе­ реноса вещества; массообмена на границе раздела пограничного слоя с общей массой растворителя; массообмена на границе раз­ дела твердой и жидкой фаз и уравнением движения вязкой жидко­ сти (Навье — Стокса). Даже при существенных допущениях не получено решений системы указанных уравнений. В связи с этим процессы размыва исследуются методами физического модели­ рования, а расчетные формулы получены эмпирически при обра­ ботке результатов экспериментов.

Количество соли, растворенное водой с реакционных поверх­ ностей, различно ориентированных в пространстве, определяется по следующим формулам:

для поверхностей, расположенных под углом наклона 9 0 ° ^ р ^ ^180° к горизонту

для поверхностей, расположенных под углом 0 °^ ф ^ 9 0 ° к гори­ зонту

(229)

где g — количество соли, растворенное водой с единицы поверх­ ности каверны, в кг/м2-ч; Ср и Сн — концентрация соответственно растворителя и насыщенного рассола в кг/м3; рр и рн— плотность соответственно растворителя и рассола в кг/м3; t —температура растворителя в °С; |3, ф — углы наклона реакционных поверхностей в радианах; 22,4; 8,75; 5,87; 3,75; 1,80 — размерные коэффициенты.

Используя эти формулы и представляя геометрию размывае­ мой камеры как последовательный (поэтапный) ряд ~ емкостей определенной конфигурации, рассчитываем концентрацию и рас­ ход рассола для каждого этапа и сроки размыва. Для предвари­ тельных проработок вариантов размыва используют упрощенные формулы, осредняя параметры камер (без разбивки на этапы).

Поскольку форма размываемой камеры может существенно отличаться от принятой расчетной схемы, целесообразно было провести специальные обобщения экспериментов для создания

170