Моделирование восходящего потока пароводяной смеси в геотермальной скважине с учетом фазовых превращений

Об авторах:

Конюхова Анастасия Васильевна, студент, кафедра моделирования физических процессов и систем, Школа естественных наук, Тюменский государственный университет, Тюмень, Россия
stud0000264778@study.utmn.ru
Гильманов Александр Янович, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра моделирования физических процессов и систем, Школа естественных наук, Тюменский государственный университет, Тюмень, Россия; a.y.gilmanov@utmn.ru, https://orcid.org/0000-0002-7115-1629

Шевелёв Александр Павлович, доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры моделирования физических процессов и систем, Тюменский государственный университет, Тюмень, Россия; a.p.shevelev@utmn.ru, https://orcid.org/0000-0003-0017-4871

Аннотация:

Геотермальная энергетика является довольно перспективной для Камчатского края, возможности региона позволяют обеспечить территорию тепло- и электроэнергией за счет геотермальных станций. Однако разработка новых геотермальных месторождений связана с определенными рисками: чтобы проверить, подходит ли скважина для эксплуатации, необходимо проводить экспериментальные исследования или моделировать процесс. Целью работы является создание квазиодномерной физико-математической модели тепломассопереноса парожидкостной смеси в геотермальной скважине. Впервые эти процессы описываются в стационарном приближении. В модели были использованы уравнения механики многофазных сред: закон неразрывности, закон сохранения импульса, закон сохранения энергии. Исходная задача в данной постановке разбивается на две: внутреннюю, в которой описывается движение пароводяной смеси по стволу скважины с учетом фазовых переходов, и внешняя, в которой определяется тепловой поток в системе теплоноситель-многослойная стенка скважины-порода. Разработанная модель позволяет рассчитывать основные параметры скважины (давление, скорость пара, сухость), отвечающие за эффективность использования геотермальной скважины. Задача была решена численно с учетом симметрии скважины, что позволило уменьшить количество входных параметров и сократить время расчета. По результатам расчетов удалось определить, что сухость пара увеличивается на 8% за 350 м. Это обусловлено невысокими значениями тепловых потерь и снижением давления при движении пароводяной смеси вверх. Определено, что скорость пароводяной смеси при ее движении от забоя геотермальной скважины вверх возрастает на 220%, несмотря на наличие диссипативных сил, вызванных трением потока о стенку скважины.

Список литературы:

Барабанов Л. Н., Кирсанова Т. П., Пилипенко Г. Ф., Сугробов В. М., Сугробова Н. Г. 1979. Использование гидрохимических данных для изучения гидротермальных систем // Изучение и использование геотермальных ресурсов в вулканических областях. М.: Наука. C. 124–153.

Бирюков В. В., Манушин Э. А. 2011. Паротурбинная установка геотермальной электростанции бинарного цикла для геотермальных месторождений Камчатского края // Науки и образование. № 9. С. 1–8.

Вакин Е. А., Декусар З. Б., Сережников А. И., Спиченкова М. В. 1976. Гидротермы Кошелевского вулканического массива // Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки. Владивосток: ДВНЦ АН СССР. C. 58–84.

Вакин Е. А., Кирсанова И. Т., Кирсанова Т. П. 1976. Термальные поля и горячие источники Мутновского вулканического района // Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки. Владивосток: ДВНЦ АН СССР. C. 85–114.

Гильманов А. Я., Шевелёв А. П., Родионова А. В. 2022. Расчет расходных характеристик теплоносителя в стволе скважины с учетом режимов течения. Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое маделирование. Нефть, газ, энергетика. Том 8. №4 (32). С. 21–39.

Кирюхин А. В., Журавлев Н. Б. 2019. Возможности использования Паратунского геотермального месторождения для теплообеспечения Камчатки // Вулканология и сейсмология. № 2. С. 21–33.

Кирюхин А. В, Сугробов В. М. 2019. Геотермальные ресурсы Камчатки и ближайшие перспективы их освоения // Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН. Вып. 6. С. 50–65.

Кононов В. И., Сугробов В.М. 1997. Геотермальные ресурсы Камчатки, использование и перспективы развития. Тепловое поле Земли и методы его изучения // Сборник научных трудов. М.: Изд-во Российского университета Дружбы Народов. С. 11–16.

Смирнов Я. Б., Сугробов В. М., Яновский Ф. А. 1991. Земной тепловой поток Камчатки // Вулканология и сейсмология. № 2. С. 41–65.

Сугробов В. М., Кононов В. И., Вереина О. Б. 2005. Перспективы использования геотермальных ресурсов Камчатки // Энергосбережение. № 2. С. 98–102.

Сугробов В. М., Кононов В. И., Постников А. И. 2005. Прогнозные геотермальные ресурсы областей современного вулканизма Камчатки и Курильских островов: научные и прикладные аспекты // Труды международного полевого Курило-Камчатского семинара. Петропавловск-Камчатский. С. 9–24.

Diment W. H., Urban T. C., Sass J. H., Marshall B. V., Munroe R. J., Lachenbruch A. H. 1975. Temperature and heat contents based on conductive transport of heat // Assessment of Geothermal Resources of the United States. U.S. Geological Survey Circular. Vol. 726. P. 84–103.

Karadas M., Mustafaoglu M., Guliyev S., Tuna S., Gur A., Kirca I., Akkoyun M., Karabiyik A., Karadas G. 2023. Generating heat from unused and abandoned wells with the advanced/enhanced geothermal system technology. Proceedings of the 48th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering. Stanford, California, USA. February 6–8. 9 р.

Kiryukhin A. V., Asaulova N. P., Finsterle S. 2008. Inverse modeling and forecasing for the exploitation of the Pauzhetsky geothermal field, Kamchatka, Russia // Geothermics. Vol. 37. P. 540–562.

Kiryukhin A., Lavrushin V., Kiryukhin P., Voronin P. 2017. Geofluid Systems of Koryaksky-Avachinsky Volcanoes (Kamchatka, Russia) // Geofluids. Article № 4279652. 21 p.

Kiryukhin A. V., Polyakov A. Y., Usacheva O. O., Kiryukhin P. A. 2018. Thermal-permeability structure and recharge conditions of the Mutnovsky high temperature geothermal field (Kamchatka, Russia) // Journal of Volcanology and Geothermal Research. V. 356. P. 36–55.

Kiryukhin A. V., Vorozheikina L. A., Voronin P. О., Kiryukhin P. A. 2017. Thermal-permeability structure and recharge conditions of the low temperature Paratunsky geothermal reservoirs, Kamchatka, Russia // Geothermics. Vol. 70. P. 47–61.

Kiryukhin A. V., Yampolsky V. A. 2004. Modeling study of the Pauzhetsky geothermal field, Kamchatka, Russia // Geothermics. Vol. 33. № 4. P. 421–441.

Moradi B., Ayoub M., Bataee M., Mohammadian E. 2020. Calculation of temperature profile in injection wells // Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. Vol. 10. P. 687–697. DOI: 10.1007/s13202-019-00763-w

Muffler L. J. P. 1978. Assessment of geothermal resources of the United States // U.S. Geological Survey Circular. Vol. 790. 163 p.

Muffler L. J. P., Cataldi R. 1978. Methods for regional assessment of geothermal resources // Geothermics. Vol. 7. P. 53–89.

Stefansson V. 2005. World geothermal assessment // Proceedings of the World Geothermal Congress, Antalya, Turkey, 24–29 April. Antalya. P. 1–6.

Sun F., Yao Y., Li X. 2018. Numerical simulation of superheated steam flow in dual-tubing wells // Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. Vol. 8. P. 925–937. DOI: 10.1007/s13202-017-0390-7