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盐岩储气库注气排卤期剩余可排卤水分析

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盐岩储气库注气排卤期 剩余 卤水 分析
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第30卷第12期 岩 土 力 学 009年12月 2009 收稿日期:2009金项目:国家自然科学基金资助项目(50804045);国家重点基础研究发展规划(973)(2009o. 2009 第一作者简介:陈锋,男,1974年生,博士,主要从事盐岩地下溶腔稳定性方面研究。章编号:1000-7598 (2009) 12-3602-05 盐岩储气库注气排卤期剩余可排卤水分析 陈 锋1,杨海军2,杨春和1 (土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071;海 200122) 摘 要:地下盐穴溶腔注气排卤过程中天然气和卤水共存,排卤管进入到卤水的深度及排卤速率决定了天然气是否会被卤水带出地表,如何调整后期排卤速率,降低排卤过程中带出天然气的风险,是注气排卤过程中的施工技术难题。针对该问题,采用流场分析理论对注气排卤后期盐岩储库腔底流场进行了模拟分析,得到排卤管外壁卤水向下流速;根据天然气气泡在卤水中的运移速率,分析确定了注气排卤后期不同剩余卤水深度下的安全排卤速率,为施工后期注气排卤速率调整提供了技术支撑。 关 键 词:盐岩;储气库;注气排卤;流场;许可速率 中图分类号:71+ 文献标识码:A of of to 1. 30071, 2. C, 00122, In in of if to It is a to of in of is of in of to is by of of in of is on of of in of of in of to 引 言 由于盐岩具有良好的密封性、低渗透性和损伤自愈合性,使得深部地下盐矿成为世界各国地下储存的一种主要介质。由于盐矿地下开采后形成的地下空间,能够保持较长时间的稳定,这些地下空间能够为不溶解于盐的物质提供储存和处置场所。正是由于地下盐岩腔体优良的性能,其在地下天然气储存库中得到了广泛应用,1963年加拿大在成了世界上第一个天然气盐岩储存库,20世纪70年代美国在 个天然气盐岩地下储存库,同年法国在971年德国在在我国地下盐岩空间利用尚处于起步阶段,现仅有江苏金坛盐岩储气库建设处于前期建设阶段,针对相关的技术研究也处于空白阶段。盐岩储气库投入运行之前,盐岩腔体中存在着大量的卤水,需要使用天然气置换出卤水,图1为注气排卤示意图。在天然气置换卤水的过程中,当置换到后期时,由于卤水淹没排水管很浅,大量天然气可能会顺着管壁排出,形成不必要的安全事故。适当控制后期卤水排卤速率,减小排卤管口卤水速率,能有效降低排卤过程中带出天然气的风险。笔者结合我国天然第12期 陈 锋等:盐岩储气库注气排卤期剩余可排卤水分析 气地下储存库中的排卤实际工况,采用流场分析理论对注气排卤后期盐岩储库腔底进行了流场模拟,根据天然气气泡在水中的上浮速率,分析确定了注气排卤后期不同剩余卤水深度下的安全排卤速率。 图1 储气库腔体注气排卤示意图 of to in 流场计算分析理论 提供了无结构网格生成程序,把计算相对复杂的几何结构问题变得容易和轻松。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格;三维的四面体、六面体及混合网格。并且,可以根据计算结果调整网格。这种网格的自适应能力对于精度求解有较大梯度的流场如自由剪切流和边界层问题有很实际的作用。同时,网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施,而非整个流动场,可以节约计算时间。 正是由于可以求解下列问题:可压缩与不可压缩流动问题;稳态和瞬态流动问题;无黏流、层流及湍流问题;牛顿流体及非牛顿流体;对流换热问题(包括自然对流和混合对流);导热与对流换热耦合问题;辐射换热;惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟;多运动坐标系下的流动问题;化学组分混合与反应;可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项;用道模型模拟稀疏相(颗粒、水滴、气泡等);多孔介质流动;一维风扇、热交换器性能计算;两相流问题;复杂表面形状下的自由面流动。 对于所有的流动,于包括热传导或可压性的流动,需要解能量守恒的附加方程。对于包括组分混合和反应的流动,需要解组分守恒方程或者使用流动是湍流时,还要解附加的输运方程。 流场求解过程中的质量守恒方程又称连续性方程,如下式:   t x     (1) 该方程是质量守恒方程的一般形式,它适用于可压流动和不可压流动。源项 从分散的二级相中加入到连续相的质量(比方说由于液滴的蒸发),源项也可以是任何的自定义源项。 流场计算过程中的动量守恒方程,其惯性(非加速)坐标系中    i j i ij i uu g Ft x x x            (2) 式中:p 为静压; 为下面将会介绍的应力张量;和 别为 i 方向上的重力体积力和外部体积力(如离散相相互作用产生的升力); 含了其它的模型相关源项,如多孔介质和自定义源项。 应力张量由下式给出: 23ji i ux x x                (3) 针对注气排卤的工程实际,流场分析中采用最常用的湍流模型标准型需要求解湍动能及其耗散率方程,湍动能输运方程是通过精确的方程推导得到,但耗散率方程是通过物理推理,数学上模拟相似原形方程得到的。该模型假设流运为完全湍流,分子黏性的影响可以忽略。 标准 型的湍动能 k 和耗散率方程形式如下: tk b k G G x x                (4) k 3 b 2( )i x C G Ck k                 (5) 式中: 平均速度梯度引起的湍动能; 用于浮力影响引起的湍动能; 可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。湍流黏性 系数2   。 在注气排卤流场分析中,湍流模型的计算参数选取为: 1C  2C   动能 k 与耗散率ε的湍流普朗特数分别为 k  天 然 气 卤 水 3603 岩 土 力 学 2009年 3 腔体流场计算模型建立 在注气排卤流场分析中,由于各个腔体腔体底部形状大体相似,以金坛某溶腔为例,对溶腔注气排卤过程中腔体底部流场进行了数值模拟研究。图2 为盐岩储气库腔体排卤示意图,图 3 为腔体底部网格剖分图,分别建立了四个平面对称模型,分别考虑剩余可排卤水深度(即卤水水面至排卤管下部管口距离)为4、3、2、1 算模型采用轴对称平面模型,套管位于模型中心,模型上表面为带压自由面,压力与实际工况相符,为注气排卤程中的管口天然气压力与气柱压力之和13 水为饱和卤水,相对密度为 卤管直径为 11.4 卤管管口离腔底为2 m,腔体底面接近圆形,半径为 3.5 m。排卤管边界、腔底与腔周设为不透水边界。 图2 盐岩储气库腔底排卤示意图 of to in of a) 4 b) 3 c) 2 d) 1 3 腔底剩余可排卤水不同深度计算网格剖分图 in 腔底流场分布 利用所建不同剩余卤水深度所建的4种不同模型,对排卤速率分别为100、80、60、40 m3/底形成的流场进行了分析,通过提取流场分析数据,获得了排卤气液界面处的最大流速。图4分别给出了不同模型一种排卤速率下的流场分布图。通过流场分布图可以看出,在剩余卤水较深(2、3、 4 m)时,卤水表面的流速比较均一,没有明显的流场梯度。当剩余卤水深度为1 场对卤水表面具有明显的影响,在排卤管附近形成了明显的流场梯度,容易形成携带出高压天然气。 (a) 深度4 m3/b) 深度3 m3/c) 深度2 m3/d) 深度1 m3/4 腔底剩余卤水不同深度和排卤速度时 流速等值线分布图 of in of 604第12期 陈 锋等:盐岩储气库注气排卤期剩余可排卤水分析 表1为不同排卤速率、不同剩余卤水深度下的卤水表面流速分布。 表1 100 m3/ of of 水速度/ (m/h) 100 80 60 剩余 排卤 深度 / m 最大 流速 / (m/s) 截面平 均流速 / (m/h) 最大 流速 / (m/s) 截面平 均流速 / (m/h) 最大 流速 / (m/s) 截面平 均流速 / (m/h) 4 许可排卤速率分析 在注气排卤后期,只有腔体内卤水表面流速超过一定限值时,高速流动的卤水才能够携带出大量的天然气。通过不同排卤流量下的不同气液界面深度下的流场计算,获得当前工况下(排卤流量和剩余卤水深度)下的表面卤水的最大流速。通过对流速进行分析,当卤水表面最大流速超过一定限值时,就能够判断该种工况下的卤水是否能够携带出天然气,据此确定不同剩余卤水深度下安全排卤流量(不携带出天然气)。 在气浮理论中,液体中微气泡其受力平衡方程如下: 2w h b D w b ( )V g V g C U A    (6) 式中: b 为气体密度; 球形微气泡直径; 微气泡体积, 3b π /6bV d ; 微气泡垂直投影方向上面积, 2b 4A d ; 微气泡的上升速度: 2b b w b D ( ) /( )U d g C     (7) 根据斯托克斯提出的绕圆球流动阻力系数的近似解为 (8) 式中: 水流流动雷诺数, E b b /R U d v ,由此可得: w gU vU d     (9) 即 2 w bb d    (10) 式中: 为液体的黏滞系数,0-6 m2/b w/  上式可变为 2b b 61 8 0U d    (11) 根据上式,表2给出了气体上浮速率与气泡直径的关系。 表2 气泡上浮速率与气泡直径关系 in 泡直径/ 气泡上浮速率/ (m/s) 泡直径/ 浮速率/ (m/s)图5 气泡上浮速率与气泡直径关系 of in 流以 度向下流动,微气泡以 度向上运动,则微气泡运动的表观速率为 b U  。只有当 k  时,即水流向下流速大于气泡在水中的相对上浮速率时,气泡即能够随水体一起运动,水流能够携带出气体。 在排卤过程中,以注气过程中许可携带出直径为1 液界面处的水体流速必须大于0.5 m/s;以可携带出0.1 m/s。 通过前述腔体底部流场分析,在腔体剩余4 卤速率为100 m3/ m/s,m/s,依据计算所得结果,其携带气泡的能力直径小于0.1 腔体剩余可排卤水4 100 m3/会携带出天然气。 在腔体剩余2100 m3/m/s,排卤速率为60 m3/m/s,m/s。依据计算所得结果,若以可携带气泡的能力直3605 岩 土 力 学 2009年 径小于0.1 腔体剩余可排卤水2 60 m3/会携带出天然气。 在腔体剩余1 以上流场等色线图看出,其为排卤流场急速变化区域,在以40~100 m3/靠近排卤管附近的水表面流速梯度大,容易形成气体带出。因此,在腔体剩余卤水1 以小于40 m3/慢排卤。 6 结 语 地下盐穴溶腔注气排卤过程中,天然气和卤水共存,排卤管进入到卤水的深度及排卤速率决定了天然气是否会被卤水带出地表,如何调整后期排卤速率,降低排卤过程中带出天然气的风险,是注气排卤过程中的一个施工技术难题。针对该技术难题的研究,获得结论如下: 在储气库注气排卤过程中,在排卤后期,在腔体剩余可排卤水4 100 m3/会携带出天然气。在腔体剩余2 可携带气泡的能力直径小于 0.1 60 m3/会携带出天然气。 在腔体剩余1 卤管附近为排卤流场急速变化区域,在以40~100 m3/靠近排卤管附近的水表面流速梯度大,容易形成气体带出。在腔体剩余卤水1 以小于40 m3/慢排卤。 参 考 文 献 [1] L, M. of ]//of [S. l.]: [s. n.], 1984: 703-717. 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