Введение к работе
Актуальность темы. Насыщенные жидкостью пористые системы резвычайно широко распространенны в природе, современной технике и ародном хозяйстве. Основными видами воздействия, применимыми к таким тстемам, являются: изменение внешнего давления (в частности, депрессия) и агрев тепловыми источниками. И в том, и в другом случае возникает проблема писания парожидкостного фильтрационного течения с фазовыми переходами.
Особую актуальность представленная проблема приобретает в рамках такой щачи как поиск альтернативных экологически безвредных источников дешевой иергии. Одним из наиболее перспективных источников такого типа является стественное тепло земли, которое вблизи поверхности сосредоточено в азогретых пористых горных породах (геотермальных резервуарах). Извлечение іергии из геотермального резервуара возможно путем насыщения его жидким ли газообразным теплоносителем с последующей откачкой. Откачивание азогретого теплоносителя при помощи депрессионного воздействия приводит возникновению в пористой среде парожидкостного фильтрационного течения. исследование процесса откачки разогретого теплоносителя из подземного ;отермального резервуара позволит определить ключевые параметры эздействия (в частности, диапазон значений граничной депрессии) с целью величения эффективности теплового отбора. Знание оптимальных параметров роцесса создаст базу для построения специальных циркуляционных систем для звлечения подземного тепла в промышленных масштабах.
Тепловое воздействие на пористый материал, насыщенный жидкостью, также рнводит к возникновению парожидкостного фильтрационного течения. Особая гпуальность проблемы, с одной стороны, связана с тем, что процессы теплового эздействия на влажные пористые материалы очень широко распространены, с ругой стороны, при этом возможно возникновение критического роста давления, риводящего к необратимому изменению свойств материала (вплоть до азрушения). В качестве примеров такого рода можно привести объемное шловыделение под действием электрического тока (удар молнии в дерево), азогрев насыщенной жидкостью породы под действием сил трения, адиоактивных источников,.воздействие на материал микроволнового излучения, риготовление пищи в микроволновой печи, сушка керамики, саморазогрев тажного зерна, семян, объемное тепловыделение в результате химических гакций и.т.п. В подобных ситуациях, особенно если объемное тепловое зздействие является частью технологического процесса, для предсказания и жтроля реззльтата необходимо исследование влияния различных параметров аких как проницаемость, начальная влагонасыщенность, интенсивность
объемного тепловыделения) на динамику изменения давления в материале и7 частности, на изменение пикового (максимального, достигаемого в процесс! давления.
Целью работы является исследование особенностей фильтрации насыщенной, вскипающей жидкостью системе с образованием областе! полностью свободных от жидкости (зон полного выкипания), при депрессионны и тепловых (объемные источники) воздействиях.
Основные задачи исследований:
1. Получение автомодельных и приближенных аналитических решениі
Проведение расчетов распределений давления, температуры
газонасыщенности для заполненной жидкостью пористой среды в случ; депрессионного и объемного теплового воздействия.
-
Анализ влияния величины внешнего воздействия (депрессия ил объемные тепловые источники) и параметров среды (проницаемо ст исходное насыщение жидкостью, размеры среды и т. д.) на эволюцию зс фильтрации и продолжительность фаз фильтрационного процесса.
-
Определение оптимальных режимов фильтрации при извлечении теш из геотермального резервуара. Исследование причин, приводящих к резкои росту пикового давления и температуры при объемном теплово воздействии на пористый материал.
Научная новизна. Исследован процесс образования зон полного вьпсипані
ЖИДКОСТИ И ПОЛучеНО Выражение ДЛЯ ВеЛИЧИНЫ КрИТИЧеСКОГО Давления ПОЛНО!
выкипания, разделяющего два режима протекания процесса: сильной и слабе депрессии (с образованием и без образования зон выкипания) для пористе среды, имеющей произвольные размеры.
Предложен критерий для определения начальной влагонасыщенност пористого пласта на основе анализа зависимости температуры откачиваемо] продукта от величины граничного давления.
Показано, что в режиме сильной депрессии, в отличии от режима слабе депрессии, при уменьшении внешнего давления количество откачиваемо] теплоносителя не возрастает (соответственно, не возрастает и количесті извлеченного тепла).
Показан характер влияния плотности мощности объемных тепловь источников, исходной влагонасыщенности, проницаемости и размеров среды і величину максимального давления, достигаемого в процессе объемно] теплового воздействия на материал (пикового давления).
Достоверность. Достоверность результатов диссертации основана і использовании фундаментальных уравнений механики многофазных "систем обусловлена совпадением полученных зависимостей для различных методі
асчетов, проведением тестовых расчетов, сравнением" численных и риближенных аналитических решений, а также согласованием с решениями ругах авторов в некоторых частных случаях. На защиту выносятся:
1. Стрз'ктура области фильтрации и характерные стадии фильтрационного
роцесса в режимах сильной и слабой депрессии, а также при объемном тепловом
эздействии на насыщенный жидкостью пористый материал.
2. Критерий для определения начальной влагонасыщенности пористого пласта
а основе анализа зависимости температуры откачиваемого продукта от величины
мничного давления.
3. Закономерности влияния плотности мощности объемных тепловых
сточников, исходной влагонасыщенности, проницаемости и размеров среды на
гличину пикового давления при объемном тепловом воздействии на пористый
атериал.
Практическое значение имеют:
1. Результаты исследования структуры и стадий фильтрационного процесса
рименительно к построению систем для извлечения геотермального тепла.
-
Критерий для определения начальной насыщенности среды с целью рогнозирования эффективности разработки геотермального резервуара.
-
Результаты анализа влияния различных параметров фильтрационного роцесса для оптимизации процесса теплового воздействия на пористую систему.
Апробации работы. Основные результаты, полученные в диссертации, экладывались на следующих конференциях и научных школах:
на Всероссийской научной конференции «Физика конденсированного )стояния» (г. Стерлитамак 1997г.)
на Уральской региональной межвузовской научно-практической шференции «Проблемы физико-математического образования в педагогических /зах России на современном этапе» (г. Уфа 1997г.)
на Международной научной конференции «Спектральная теория чфференциальных операторов и смежные вопросы» (г. Стерлитамак 1998г.)
на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы физико-атематического образования в педагогических вузах России на современном -апе» (г. Магнитогорск 1999г.)
на Международной научно-технической конференции «Перспективы ізработки и реализации региональных программ перехода к устойчивому 13ВИТИЮ для промышленных регионов России», (г. Стерлитамак 1999г.)
на Школе - семинаре по механике многофазных систем под руководством с. Р. И. Нишатулина. (г. Стерлитамак 1999г.)
на Школе - семинаре по проблемам механики сплошных сред, добычи,
сбора, подготовки, транспорта и переработки нефти им. ак. А. X. Мирзаджанзадс г. Уфа 1999j.)
на семинарах кафедры теоретической физики Стерлитамакског государственного педагогического института под руководством В. Ш. Шагапов и А. И. Филиппова.
на семинаре лаборатории нелинейной динамики многофазных систе: Института механики УНЦ РАН под руководством И. Ш. Ахатова.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глаї заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 153 стр. в том числ 44 рис. Список литературы состоит из 83 наименований.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в семи работах, списо которых приведен в конце автореферата.