THEORETICAL FEATURES AND PRACTICAL APPLICATION OF AERATION OF MULTICOMPONENT DYNAMIC GEOLOGICAL ENVIRONMENTS

Full Text

Значительное число предприятий нефтеперерабатывающего комплекса функционирует продолжительное время. Одним из отрицательных результатов их производственной деятельности является образование в геологических массивах, на которых они построены, техногенных образований в виде линз нефтепродуктов. Для ликвидации подобных линз бурятся скважины, через которые откачиваются накопленные в породе нефтепродукты. Однако часть продуктов остается в породе, находясь при этом в динамическом состоянии, в связи с тем, что гидрогеологические условия нестационарные. Соответственно возникает необходимость их санации с целью снижения концентраций углеводородов в грунтах до нормативных значений, не наносящих вред окружающей среде. Перспективным методом для санации геосреды является нагнетание в толщу линз специального состава, содержащего нефтеразрушающие микробиальные добавки. Так как микроорганизмы, входящие в такой состав, являются аэробными, возникает необходимость в принудительной аэрации для поддержания высокой скорости метаболизма микроорганизмов. В результате аэрации происходит движение воздуха в толще породы, фильтрация санирующего состава, что ведет к непрерывному изменению структуры геосреды вследствие биодеструкции углеводородов, изменения градиента давления, накоплению или удалению в порах дисперсных частиц [1-5], т. е. имеется нестационарный процесс фильтрации в динамической среде. Основными характеристиками фильтрующей среды являются пористость, коэффициент проницаемости, а характеристиками фильтрата (в данном случае сжимаемой жидкости) - плотность газа, температура, средняя скорость движения среды в порах. Наиболее полно теория движения газа в пористой среде рассмотрена в трудах [1-4]. Простейший случай - это фильтрация газов при ламинарном режиме в неизменной пористой среде, которая является частным случаем задачи фильтрации при любом режиме движения. Общее основное уравнение ламинарной фильтрации имеет вид (1) Д. В. Зеленцов, К. Л. Чертес 27 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 где k - коэффициент проницаемости, м2;  - плотность жидкости, кг/м3; μ - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па·с; m - пористость материала; X, Y, Z - массовые силы. В случае сжимаемой жидкости (газа) плотность  = f(р,Т). Вводя новую функцию давления (расход) (2) получим следующие уравнения: (3) (4) Подставляя уравнения (3) и (2) в (1), а также считая вязкость газа величиной постоянной, а массовые силы равными X=Y=Z=0, получим уравнение движения газа в неизменной пористой среде (5) В результате термогенеза мы имеем не неизменную пористую среду, а деформируемую пористую среду, т. е. среду с постоянно меняющимися во времени параметрами, определяющими из которых являются пористость m и температура t. Общее уравнение неразрывности для движения в неизменной пористой среде (6) В случае деформируемой пористой среды уравнение (6) примет вид (7) где 1 - модуль, характеризующий пористую среду. Проведенные опыты показали, что в случае высоконапорной аэрации движение воздуха в геосреде может происходить не в ламинарном, а в турбулентном режиме движения [6]. В связи с этим рассмотрим основное уравнение теории фильтрации Re=f(), (8) где  - число фильтрации; Re - число Рейнольдса. (9) (10) где v - скорость фильтрации, м/с; h - вектор (направление скорости) фильтрации, м. Используя (9) и (10), по аналогии с (3) получим систему уравнений для скоростей турбулентной фильтрации по осям x, y, z: (11) где θ - функциональная зависимость для числа фильтрации. (12) где Δ1q - изменение расхода. (13) Подставляя уравнения (7) и (11) в (1), считая вязкость газа величиной постоянной, а массовые силы равными X=Y=Z=0, получаем основное уравнение турбулентной фильтрации сжимаемой жидкости (газа) в деформируемой пористой среде (14) где , процесс политропный  = (q(t)). Как правило, расходные и геометрические характеристики процесса фильтрации, а также свойства фильтрующейся жидкости (газа) являются известными либо легко определяемыми. Основная трудность состоит в вычислении параметров среды, через которую происходит фильтрация, таких как пористость m, проницаемость k, модуль 1.Учитывая большую сложность в определении значения модуля 1, а также низкую вязкость газа, возникает потребность исключить модуль 1; принимая , преобразуем и частично упрощаем уравнение (14), в результате чего получим (15) Вводя градиенты и , из (15) получим уравнение (16) Подача воздуха для аэрации в толщу геосреды (либо удаление свалочного газа) осуществляется через вертикальные скважины или горизонтальные коллекторы. Потери давления по длине рабочей зоны (через которую осуществляется подача воздуха (газа) сравнительно малы по отношению к поте- Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 3 28 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ рям в геосреде, и ими можно пренебречь. Таким образом, начальные давления и расход по одной из координат будут неизменными, что позволяет перейти к плоской задаче q=q(x,y), а так как газ будет распространяться по окружности, то можно перейти к полярным координатам x=r·cos; y=r·sin; r2=x2+y2; =arctg(x/y). Тогда слагаемые уравнения (16) примут вид (17) (18) Подставляя (17) и (18) в (16), получим уравнение фильтрации в полярных координатах (19) Проведенные эксперименты [5, 6] показали, что зависимость (13) можно описать эмпирическим уравнением 1q = Alnr B. (20) Принимая в уравнении (12) , и с учетом (20) получим (21) Подставляя (21) в (19) и принимая , получим (22) Выводы. 1. Получено уравнение фильтрации (22) в полярных координатах с учетом экспериментальных данных. Полученное уравнение имеет решение, хотя это и представляет определенную трудность. 2. Для решения уравнения фильтрации (22) необходимо знать значение функции и явную зависимость для плотности , что является дальнейшим этапом исследования.

About the authors

Danila V. ZELENTSOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Konstantin L. CHERTES

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files