Исследование процессов тепловлагообмена вблизи заглубленного в грунт трубопровода

Интенсивное и целенаправленное освоение Севера предопределено перспективой социально-экономического развития России. Западная Сибирь — крупный нефтегазодобывающий район. Ее топливно-энергетический комплекс является одним из основных составляющих развития экономики государства. Разведка новых и обустройство разведанных месторождений углеводородов в Западной Сибири, и прежде всего в Тюменской области — задача всероссийского масштаба.

В Западно-Сибирском регионе добывается свыше 80% от общего объема энергоресурсов (нефти и газа), в связи с чем, регион оказывает решающее влияние на темпы научно-технического прогресса, интенсификацию общественного производства, обладает уникальной развитой сетью магистральных нефтеи газопроводов. Система магистральных газопроводов подает в Европейскую часть о страны и за ее пределы свыше 500 млрд. м газа в год.

В последние годы требуемые уровни добычи газа обеспечивалось, главным образом, за счет месторождений — гигантов НПТР (Уренгой, Ямбург). Этот район в 1995 г. дал 520 млрд. м3, а все остальные районы России — 75 млрд. м3. При необходимости добычу газа здесь можно увеличить до 600−650 млрд. м3. В 2000 г. только Надым — Пур

— Тазовский р-н дал стране 540−570 млрд. м3 газового топлива.

Минимально требуемые объемы добычи газа в России возрастут с 2000 по 2020 г.г. по внутренним потребноо стям страны от 330 до 420 млрд. м — бывшим республикам Союза от 65 до 90 млрд. м3- дальнему Европейскому зарубежью от 125 до 22 0 млрд. м — собственным нуждам газовой отрасли от 50 до 80 млрд. м3. Общий требуемый объем добычи газа составит от 570 млрд. м3 в 2000 году до 8 60 млрд. м3 в 2020 году."[4 9].

К строительству в этом районе предъявляются исключительно жесткие требования, которые обусловлены суровыми природно-климатическими условиями, характеризующимися низкой температурой воздуха, большими суточными колебаниями, сильными ветрами, проливными дождями и мощными снегопадами.

Развитие строительного производства в специфических условиях Севера является стимулом для проведения обширных научных исследований/ в том числе углубленного изучения территорий, занятых многолетнеи сезон-номерзлыми породами, их состава, криогенного строения и свойств, а также происходящих в них процессов и явлений .

Нефтегазодобывающая отрасль является не только главным заказчиком научных исследований, относящихся к вопросам строительства в северных условиях, но и главным потребителем получаемых результатов этих исследований.

Север Западной Сибири характеризуется большим разнообразием температурных и влажных характеристик грунтов, широким развитием криогенных процессов. Поэтому обоснование способов прокладки и режимов эксплуатации сооружаемых здесь трубопроводов является сложной инженерной задачей.

Мерзлые породы, занимающие 50% территории России, что составляет 11 миллионов квадратных километров суши, представляют собой сложные и чрезвычайно динамичные физико-химические грунтовые системы. Существуют обширные области грунтов пониженной несущей способности — засоленных и сильнольдистых, нередко встречаются участки с подземными льдамишироко распространены мерзлотно-геоморфологические образования: бугры пучения, морозобойные трещины, наледи, просадка грунта в процессе вытаивания подземных льдов и т. д. Все это в значительной степени способствует деформации породы и, следовательно, накладывает отпечаток на производство любых типов строительных работ.

На современном этапе развития народного хозяйства надежность магистральных газопроводов и нефтепроводов стала определяющим требованием к трубопроводному транспорту. Это связано прежде всего с его возрастающей ролью — весь газ и более половины нефти и нефтепродуктов подаются потребителям по трубопроводам. Прокладываются они в разнообразных почвенно-климатических условиях.

Исходнымматериалом, для решения любой, проблемы, вызванной наличием вечной. мерзлоты, должен являться правильный прогноз водно-теплового режима грунта в течение всего периода эксплуатации. Поэтому многочисленные теплофизические аспекты поведения мерзлых грунтов становятся объектом интенсивного научного исследования, где особое место занимают задачи теплои массо-обмена применительно к вопросам газои нефтепромыслов .

Исследование процессов тепловлагообмена в промерзающих грунтах вблизи подземных трубопроводов является совершенно необходимым для обеспечения их нормального функционирования.

Природный газ с месторождений севера Тюменской области транспортируется по уникальной системе магистральных газопроводов в промышленные районы Урала и европейской части Россиит на экспорт в зарубежные страны, а проблема надежности и долговечности магистральных газопроводов, проложенных в разнообразных почвенно-климатических условиях, еще не имеет четкого теоретического и методологического выражения.

С другой стороны, магистральные трубопроводы потенциально опасны для окружающей среды. Уже при строительстве их наблюдаются деструкция грунтового массива и нарушение сложившихся взаимосвязей компонентов ландшафта. Аэрокосмические исследования коридоров прокладки трубопроводов в Западной Сибири показали значительное обводнение и заболачивание трасс с грунтами умеренной влажности, особенно при системе в несколько ниток. Охрана окружающей среды — одна из важнейших проблем этого региона.

При анализе и решении конкретных технических ситуаций большое значение имеет правильная физико-математическая постановка и достаточно точное решение соответствующей задачи математической физики. Выбор метода решения поставленной задачи зависит от цели исследования, степени изученности явления, срочности задания и других факторов.

Далеко не всегда удается ограничиться известными методами физики и математики. Не всегда удается также получить количественный результат в виде конкретного числа, поля температуры и влажности. Результаты могут иметь качественный вид, прогнозируется только характер поведения изучаемого объекта, который очевидно в данном случае и нужно прежде всего оценить.

Данная диссертационная работа посвящена прогнозированию ореолов промерзания-оттаивания в области с осевой симметрией, которое необходимо при прокладке и эксплуатации нефтяных и газовых трубопроводов в районах криолитозоны. Кроме того, изложена физико — математическая модель явления вторичного морозного пучения вокруг холодных труб, транспортирующих газ, позволяющая проследить механизм развития шлиров в тонкодисперсных материалах, поры которых заполнены влагой и не содержат воздуха, а также обоснована технология прокладки газопроводов в мерзлом пучинистом грунте.

Актуальность работы определяется исключительной важностью процессов тепло — и массообмена на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации магистральных трубопроводов в северных условиях. Исследования влагопереноса и криогенного текстурообразования мерзлых пород существенным образом предопределяют мерзлотно — инженерно-геологические условия строительства. По мере расширения осваиваемых территорий Севера все более важное значение приобретают вопросы устойчивости, эксплутационной надежности и экономичности трубопроводов, что требует разработки наиболее рациональных решений, подтвержденных технико-экономическим обоснованием.

Целью настоящей работы является изучение и анализ процессов теплообмена, влагопереноса и криогенного текстурообразования в дисперсных породах при прокладке и эксплуатации подземных трубопроводов и выдача рекомендаций по обеспечению необходимых технических характеристик .

Для реализации поставленной цели потребовалось:

1. Проанализировать работы технического, теплофи-зического и математического характера, выяснить целесообразность использования тех или иных методик.

2. Изучить термодинамические, физико-химические и криолитологические процессы и явления, (главным образом, закономерности миграции воды и льдообразования) проходящие в промерзающих, мерзлых и оттаивающих дисперсных породах.

3. Преобразовать метод построения сужающейся системы оценок решения задачи теплообмена на плоскости для областей с осевой симметрией. Доказать сходимость метода.

4. Решить задачу о теплообмене во влажных дисперсных грунтах вблизи трубопроводов.

5. Разработать физико-математическую модель механизма сегрегации льда вокруг холодных труб.

6. Обосновать технологию прокладки газопровода в мерзлом пучинистом грунте.

7. Разработать алгоритмы и пакеты программ для реализации решения поставленных задач на компьютере.

Предметом исследования является разработка физико-математических моделей процессов и явлений, возникающих при прокладке и эксплуатации трубопроводов, получение решений соответствующих задач математической физики, анализ полученных результатов, сравнение с экспериментальными и натурными даннымиВо всех случаях базой исследования являлись натурные и экспериментальные данные, представлявшиеся заказчиками или взятые из литературных источников.

При решении конкретных задач автор использовал стандартные методы и принципы математической физики. При постановке задачи строго соблюдались законы сохранения и уравнения баланса энергии и массы. Все предположения специально оговариваются в работе и обосновываются. При использовании приближенных методов автором проведено доказательство их сходимости.

В каждой задаче использовалось моделирование на ЭВМ, составлены программы для проведения контрольного расчета. Широко применялись возможности современного компьютера для анализа результатов и их графического представления.

1 л.

IV.

Нд.уЧНС1М ?iOHM^HcL .

1. Проведено специальное исследование, позволившее применить итерационный метод сужающейся системы границ, внутри которых находится решение для нелинейной задачи теплопроводности с немонотонными граничными условиями, к области с осевой и центральной симметрией.

2. Разработана физико-математическая модель, описывающая процесс деформации грунта вследствие влагопе— реноса при промерзании вокруг холодных труб. Модель позволяет исследовать механизм образования линз и про—.

TTTjf rrii^l T-IO ТТ Т ГТ тт т/л 1 Г Т, А «О TTTi ГЛ Т-Т «1 гтгаЪ"ттлтлЛ ту т-г 7-ТТ/r-v ТТТ/ГТ/'Л.

WiWV, ju X О -3LJ.O JL H. U UVU.U J- /li'.U J.V. IJ. J> nt-iiVilX^ грунта.

3. Исследован процесс сегрегационного пучения вокруг холодных, заглубленных в грунт трубопроводов большого диаметра, транспортирующих газ. В соответствии с полученными результатами даны технические рекомендации, необходимые при прокладке трубопроводов во влажных тонкодисперсных грунтах.

Результаты численного решения подтверждены ранее.

T/TAAOinTTTTjTH/rtyT/" СГ ГП О ТЛТЛ ЛГУТ глотттгзитл СУТ/ПЛ ТЛТПЛ ОТ/'Г'П аТЛТЛЪ/П^ТЛт^) ТТТТ-Л-ТАЛТЛ" .

J-j-xvj.^Iyjj i)," iu/iL wJ. J. it hi '-i-v ± ^/Ciu^^u'^j'iJL.wj. j’lujj’i ^ wx x к^ ^^-fliVj-v^ a j. GiuX i-i данными, полученными в результате исследований других авторов.

Практическая ценность. Результаты исследования используются в проектных организациях для прогнозирсвания теплофизическоро состояния трубопроводов различного назначения, а также для обоснования технологий их строительства.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

1. Приближенный метод решения задач тепломассообмена в областях с осевой симметрией, основанный на построении сужающейся системы оценок искомой функции.

2. Математическая модель явления вторичного пучения вблизи заглубленного в грунт низкотемпературного газопровода.

3. Методика теплотехнического обоснования мероприятий по предотвращению пучения вблизи холодных труб.

Апробация и внедрение. Результаты работы выносились на обсуждение на следующих конференциях: «научно-методическая конференция Тюмень «II научная конференция молодых ученых, аспирантов и соискателей», Тюмень, ТюмГАСА, 2000 г., 13-я международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-2000, Санкт-Петербург, «Научно-практическая конференция, посвященная 30-летию ТюмГАСА», Тюмень, 2000.

Автор выступал на научно-практических семинарах кафедры «Теплогазоснабжения и вентиляции» ТюмГАСА.

Сведения о внедрении результатов., по которым имеются документы, приведены в Приложении.

Автор приносит глубокую благодарность за ценные научные консультации и внимание член-корр. РА ACH проф. д.т.н. Шаповалу А. Ф., проф., д.т.н. Степанову O.A., к.ф.-м.н. курилеыко и.И., доценту, к.т.н. Клюкину A.A., доценту, к.т.н. карякинои с.в., доценту, к.т.н. пушаковой H.H.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЫВОДЫ.

В процессе работы автором были изучены особенности строения и теплового прогнозирования состояния мерзлых тонкодисперсных грунтов вокруг трубопроводов и скважинизучены и проанализированы процессы влагопереноса и криогенного текстурообразования в дисперсных породах {в частности, механизм сегрегационного пучения) при прокладке и эксплуатации подземных газопроводовв связи с этим проанализированы работы технического, физического и математического характера, а также рассмотрены различные методы решения подобных задач. При этом получены следующие выводы:

1.Метод решения задач тепломассообмена, основанный на построении сужающейся системы интегральных неравенств, пригоден для решения не только плоских одномерных задач, но и аналогичных задач с осевой и центральной симметрией.

2. Математическая модель явления криогенного расслоения грунта, разработанная Б. Г. Аксеновым, после определенной модификации пригодна и для описания явления вторичного пучения вблизи холодных труб.

3.При длительной эксплуатации холодного трубопровода при постоянной температуре Тпое<�—2°С образуется ледяное кольцо непосредственно на его поверхности. Второй слой льда образуется в области, где у кривой незамерзшей воды находится точка перегиба. Расстояние между этими прослоями может быть значительным. Оно намного больше, чем в плоском образце. Это связано с особенностями теплообмена в цил линдрической области. Если Тпов >-2 С, то второй слой не образуется.

4.После проведения расчетов, позволяющих определить зону шлирообразования, рекомендуется применить один из двух вариантов защиты от пучения: а) при укладке трубы траншея увеличивается до размеров второго ледяного кольца и затем засыпается непучинистым грунтомб) для предотвращения появления второго кольца труба дополнительно теплоизолируется, тогда объем вынимаемого грунта значительно ниже.

Выбор одного из этих вариантов должен быть обоснован технико-экономическим расчетом.

5. Результаты проведенных в диссертационной работе исследований могут быть непосредственно приложены к областям с центральной симметрией.