ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ АЭРАЦИИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД

Полный текст

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.

Об авторах

Данила Владимирович ЗЕЛЕНЦОВ

Самарский государственный технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Константин Львович ЧЕРТЕС

Самарский государственный технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Список литературы

Дополнительные файлы