авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Теплофизическое обоснование формирования и эксплуатации мутновской магматогенной геотермальной системы

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ТАСКИН Виталий Витальевич

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МУТНОВСКОЙ МАГМАТОГЕННОЙ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 25.00.20 Геомеханика, разрушение горных

пород, рудничная аэрогазодинамика

и горная теплофизика

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2008

Работа выполнена в Научно-исследовательском геотехнологическом центре Дальневосточного отделения Российской академии наук (НИГТЦ ДВО РАН)

Научный руководитель

доктор геолого-минералогических наук

Юрий Петрович Трухин

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор

Семен Григорьевич Гендлер

кандидат технических наук, доцент

Алла Анатольевна Чермошенцева

Ведущее предприятие: ОАО «Геотерм».

Защита диссертации состоится 12 декабря 2008 г. в 13 ч. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 12 ноября 2008 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор Э.И. БОГУСЛАВСКИЙ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Одной из проблем совершенствования топливно-энергетического баланса, является изменение его структуры за счет использования возобновляемых источников энергии вместо традиционных видов топлива. Помимо сохранения истощающихся запасов нефти газа и угля, применение возобновляемых источников энергии позволяет решить ряд экологических проблем. Одним из таких источников являются геотермальные ресурсы. По данным многочисленных исследований, во многих регионах геотермальная энергия может быть эффективно извлечена с глубин до 3-4 км.

Высокий геотермический градиент Камчатки обуславливается, современной вулканической деятельностью. Вместе с тем, в настоящее время в энергетических целях используется теплоноситель, отбираемый из месторождений парогидротерм. Применение такого теплоносителя для выработки электроэнергии в связи с его низкими тепловыми параметрами характеризуется невысокой производительностью. Повышение эффективности выработки энергии до уровня современных электростанций, связано с использованием геотермального теплоносителя с температурой выше 4000С.

Энергия такого потенциала сосредоточена в областях очагов магматогенных геотермальных систем. Потенциальные ресурсы Мутновской магматогенной геотермальной системы на Камчатке составляют более 2000 МВт. Оценка перспектив освоения Мутновской системы сдерживается отсутствием достаточного объема достоверной информации о горно-геологических и геотермических условиях массива горных пород на глубинах, перспективных для извлечения геотермальной энергии. Одним из способов повышения точности прогностических оценок возможности извлечения геотермальной энергии является построение математических моделей формирования геотемпературного поля, описывающих различные сценарии теплового взаимодействия магматического очага и массива окружающих его горных пород.

Значительный вклад в теоретические и натурные исследования термогидродинамического и гидрогеохимического режима Мутновской магматогенной геотермальной системы внесли: Вакин Е.А., Кирсанов И.Т., Поляк Б.Г., Трухин Ю.П., Шувалов Р.А., Таран Ю.А., Пилипенко В.П. Технология геотермальной циркуляционной системы в докритических термогидродинамических условиях подземного коллектора была разработана в трудах Аладьева И.Т., Ароновой Н.Н., Артемьевой В.Л., Богуславского Э.И., Васильева В.А., Вознюка Л.Ф., Гендлера С.Г., Дядькина Ю.Д., Егорова А.Г., Забарного Г.Н., Кононенко Г.Н., Кремнева О.А., Мерзлякова Э.И., Морозова Ю.П., Павлова И.А., Парийского Ю.М., Пашкевича Р.И., Пискачевой Т.Ю., Пудовкина А.М., Романова В.А., Рыженко И.А., Саламатина А.Н., Смирновой Н.Н., Трусова В.Н., Цырульникова А.С., Шурчкова А.В.

Тем не менее, в настоящий момент не существует единой концептуальной модели Мутновской магматогенной геотермальной системы, а труды, посвященные разработке технологии геотермальных циркуляционных систем предполагают докритическое состояние теплоносителя.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ – обоснование целесообразности освоения энергетического потенциала Мутновской магматогенной геотермальной системы на основе данных, полученных при численном моделировании процессов теплопереноса в слагающих ее горных породах.

ИДЕЯ РАБОТЫ – в районе Мутновской магматогенной геотермальной системы на глубинах до 3 км существует высоко-температурная зона (>400оС), энергетические ресурсы которой оценены на базе термогидродинамического моделирования процессов теплопереноса с использованием прогнозной температуры магматического очага (1200оС) и замеренной температуры фумарол на поверхности (490–950оС); эта зона перспективно возможна для промышленного освоения по технологии геотермальных циркуляционных систем.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

разработка численной термогидродинамической модели Мутновской магматогенной геотермальной системы;

получение расчетного распределения температур, давлений, фазового состояния и скоростей движения фаз флюида в лавовыводящем канале и в окружающих его породах в заданном диапазоне исходных параметров;

численное исследование теплофизических и гидродинамических параметров теплового коллектора геотермальной циркуляционной системы в начальных надкритических условиях;

установление технологических параметров геотермальной циркуляционной системы для освоения тепловых ресурсов Мутновской магматогенной геотермальной системы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

установлена закономерность распределения температуры, давления, фазового состояния и скоростей фаз флюида в массиве пород Мутновской магматогенной геотермальной системы на базе разработанной численной термогидродинамической модели, включающей фазовые переходы в полном диапазоне возможных состояний, теплофизические свойства пород и воды до 1200оС и 1 ГПа, фактический рельеф поверхности;

получены закономерности распределения температуры, давления, фазового состояния и водонасыщенности в вертикальном и горизонтальном разрезах теплового коллектора геотермальной циркуляционной системы в начальных надкритических условиях, соответствующих расчетным условиям Мутновской магматогенной геотермальной системы, а также зависимости параметров теплоносителя в открытых интервалах добычных и нагнетательной скважин от времени эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Адекватное описание формирования Мутновской магматогенной геотермальной системы может быть осуществлено на основе разработанной термогидродинамической модели, включающей источник теплоты, представляющий собой магматический очаг эллипсоидальной формы, где за счет подпитки магматическим веществом поддерживается постоянная температура и расход дегазирующегося флюида.

2. Область горных пород Мутновской магматогенной геотермальной системы имеющая температуру не менее 400оС, достаточную для получения геотермального теплоносителя высокого потенциала располагается на расстоянии не более 2,5 км от лавовыводящего канала и на глубине до 3-х км.

3. Для обеспечения эксплуатации Мутновской магматогенной геотермальной системы по циркуляционной технологии, в течение времени не менее 35 лет, дебит теплоносителя может составлять 10–15 кг/с при расстоянии между нагнетательной и добычными скважинами 250 м, при этом открытый интервал нагнетательной скважины следует располагать на 250 м выше забоя добычных скважин.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Принята комплексная методика исследования, включающая: обобщение и анализ натурных наблюдений за тепловым режимом Мутновской магматогенной геотермальной системы, анализ мирового опыта разработки и использования технологии геотермальных циркуляционных систем, компьютерное моделирование процесса теплопереноса в породах Мутновского комплекса и в тепловом коллекторе геотермальной циркуляционной системы.

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И РЕКОМЕНДАЦИЙ подтверждается:

корреляцией полученных в работе результатов с натурными наблюдениями, выполненными другими исследователями;

значительным объемом аналитического обзора данных предшествующих работ по натурным наблюдениям за геотермическим режимом Мутновской магматогенной геотермальной системы;

большим количеством вариантов вычислений по моделям на ЭВМ в широком диапазоне исходных параметров (120 вариантов серийных расчетов);

использованием фундаментальных физических законов сохранения массы и энергии в основе численной модели теплопереноса.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ:

прогнозируемые параметры Мутновской магматогенной геотермальной системы должны быть использованы при постановке геолого-геотермических исследований на данном объекте;

результаты термогидродинамического моделирования позволяют выполнить прогнозную оценку энергетических ресурсов Мутновской магматогенной геотермальной системы;

установленные геометрические параметры системы скважин типа «триплет» могут быть рекомендованы для опытной циркуляционной установки при освоении Мутновской магматогенной геотермальной системы;

результаты диссертационной работы предложены в ОАО «Геотерм» для внедрения;

научные и практические результаты работы используются в учебном процессе Камчатского государственного технического университета при проведении занятий по дисциплинам: «Основы технологии и проектирования топливно-энергетических комплексов».

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА работы заключается: в постановке цели, формулировке задач и разработке методики исследований, систематизации и обработке геологических, гидрологических данных, а также данных по геотермическому режиму Мутновской магматогенной геотермальной системы, разработке модели, выполнении численных экспериментов и интерпретации полученных результатов, а также обработке их на ЭВМ, разработке практических рекомендаций.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Содержание и основные положения диссертационной работы были доложены на: научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов КамчатГТУ «Проблемы и задачи регионального природопользования», Петропавловск-Камчатский, 2004; 18-ой международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-18», Казань, 2005; международном семинаре, посвященному закрытию 27-ой сессии Специальных геотермических курсов Университета Объединённых Наций (UNU GTP – United Nations University Geothermal Training Program), Рейкьявик, Исландия, 2005г.; региональной научно-практической конференции «Минерально-сырьевые ресурсы как фактор развития промышленной и социальной инфраструктуры Камчатского края», Петропавловск-Камчатский, 2007; научно-техническом совете ОАО «Геотерм», 2007; семинарах лаборатории геотехнологии и геохимии, а также физико-химической гидродинамики НИГТЦ ДВО РАН, на Ученых советах НИГТЦ ДВО РАН, 2006-2008, на заседании кафедры Геотехнологии руд РГГРУ от 12.05.08 г.

ПУБЛИКАЦИИ: По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 9 – в журналах и изданиях «Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий» Высшей аттестационной комиссии Минобрнауки России, рекомендованных экспертным советом.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 142 наименований, приложений, иллюстрирована 49-ю рисунками, содержит 8 таблиц, общий объем – 145 страниц.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор благодарит: Ю.П. Трухина и Р.И. Пашкевича за научное руководство, постановку задач исследования, плодотворную критику, действенную поддержку и помощь на всех этапах работы; А.С. Латкина, Р.А. Шувалова, В.В. Потапова, В.А. Степанова (НИГТЦ ДВО РАН) за ценные советы и консультации; профессора С. Арнорсона (Национальный Университет Исландии, г. Рейкьявик) за консультации и советы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 выполнен анализ результатов предшествующих работ по натурным наблюдениям за тепловым режимом Мутновской магматогенной геотермальной системы; выявлены характеристики системы как объекта освоения с целью использования тепловых ресурсов ее магматического очага; рассмотрены современные технологии освоения тепловых ресурсов магматогенных геотермальных и вулкано-геотермальных систем; сформулированы цель и задачи исследований;

В главе 2 разработана термогидродинамическая модель Мутновской магматогенной геотермальной системы; установлены границы расчетной области, начальные и граничные условия для 3-х типов моделей и диапазон исходных теплофизических, геотермических, гидрогеологических параметров для расчетов;

В главе 3 на основе разработанной модели выполнен расчет и анализ параметров теплопереноса в Мутновской магматогенной геотермальной системе; установлена степень адекватности 3-х типов моделей реальным условиям; установлена зависимость конфигурации изотерм, изобар и границы области флюида в надкритическом состоянии от проницаемости лавовыводящего канала и окружающих его пород, давления и расхода флюида на входе в канал, формы очага при двух доминирующих типах теплопереноса;

В главе 4 выполнено численное моделирование термогидродинамического режима коллектора циркуляционной системы в начальных надкритических условиях, соответствующих условиям объекта исследования; установлены рациональные технологические параметры циркуляционной системы с целью выработки тепловой и электрической энергии;

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Адекватное описание формирования Мутновской магматогенной геотермальной системы может быть осуществлено на основе разработанной термогидродинамической модели, включающей источник теплоты, представляющий собой магматический очаг эллипсоидальной формы, где за счет подпитки магматическим веществом поддерживается постоянная температура и расход дегазирующегося флюида.

В настоящее время не существует единой концептуальной модели Мутновской магматогенной геотермальной системы. Это связано с тем, что детальных геолого-геотермических исследований на объекте не проводилось. Поэтому в работе использовался спектр исходных параметров, учитывающий широкий диапазон возможных значений (табл. 1).

Математическая модель теплопереноса в породах системы основывается на уравнениях сохранения массы и энергии в виде:

 где n – пористость; f, s, r – плотность флюида, пара и пород; k, krs krw – соответственно-0

где n – пористость; f, s, r – плотность флюида, пара и пород; k, krs krw – соответственно абсолютная и относительная проницаемости; µs, µw – динамические вязкости пара и воды; Кm – теплопроводность; hf, hr – удельные энтальпии флюида и пород; qm и qh – соответственно массовый расход на единицу объема и тепловой поток на единицу объема. Последние две величины используются для задания в явном виде расхода дегазации магмы на входе в лавовыводящий канал и регионального потока тепла на нижней границе расчетной области.

Таблица 1. Параметры, варьируемые в расчетах
Тип модели А В С По всем моделям
Форма очага Горизон-тальный эллипсоид Вертикальный/ Горизонталь-ный эллипсоид Горизон-тальный эллипсоид Вертикальный/ Горизонталь-ный эллипсоид
Размеры большой и малой полуосей очага, км 2,2 1,1 2,5 1,5 2,2 1,1 2,2…2,5 1,1…1,5
Глубина залегания очага, км 3…4,5 1 0,75…4,5
Температура апикальной части очага, оС Остывающий очаг 900-1200 1200 900-1200
Проницаемость пород канала, мД 10-4…100 0,001…1 1…100 10-4…100
Проницаемость окружающих пород, мД 10-4…1 0,001 10-4…1
Проницаемость очага, мД 10-8…10-4 - 10-8…10-4
Региональный тепловой поток (q1), мВт/м2 80-120 120 80-120
Тепловой поток на оси очага (q2), мВт/м2 1200 - 1200
Расход дегазирующегося флюида (G), кг/с - 3-600 71 0-600
Давление магматического флюида на входе в лавовыводящий канал - - От гидростатического, до литостатического
Доминирующий тип теплопереноса в окружающих породах Кондуктивный, конвективный


Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.