2835.Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных и

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

Геометрические параметры проектируемых вентиляционного ствола и канала имеют следующие значения: длина исследуемого участка вентиляционного ствола

Для избежания влияния однородных граничных условий на входе и выходе на получаемый результат выделялись три поперечных сечения расчетной области, взятые на удалении L1 и L2 от входа в расчетную область и на удалении L3 от выхода из нее (см. рис. 2, б). Три указанных поперечных сечения выбирались также исходя из требования достаточной удаленности от центра сопряжения с целью избежания влияния вихревых и застойных зон на получаемый результат. Численные значения L1, L2 и L3 выбирались на основании предаврительных численных расчетов.

На основании пректных данных на входе в расчетную область (рис. 5) зада-

ти задавалось давление pout = 0 Па.

Численный расчет. Для численного решения поставленной задачи использовался метод конечных объемов SIMPLE со вторым порядком точности дискретизации по времени. Сходимость решения оценивалась по относительной величине невязок, а также по выходу на стационарное значение ряда интегральных характеристик потока.

Результаты расчетов приведены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость перепадов давления ∆ p1 3 = p1 – p3 и ∆ p2 3 = p2 – p3 от угла сопряжения (а), от радиуса скругления Rdwn (б) для угла сопряжения α = 90°; точкам соответствуют результаты отдельных численных расчетов, непрервыные кривые – результат аппроксимации с использованием кубических многочленов

Как и следовало ожидать, при увеличении угла сопряжения происходит повышение перепадов давления, что обусловлено возростанием местных сопротивлений. При этом зависимость падения давления ∆ p1 3 и ∆ p2 3 от угла сопряжения α

421

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

является нелинейной. Для углов сопряжения α , близких к 90°, вариация угла ∆α слабо влияет на перапады давления. Для углов сопряжения α > 120° и α < 60° вариация угла ∆α сильнее влияет на перепады давления. При исследовании влияния радиусов скругления (рис. 3, б) было выявлено, что наиболее существенным является снижение перепада давления при увеличении радиуса ∆ Rdwn при малых значениях радиуса Rdwn. При каждом последующем увеличении радиуса скругления эффект, выражающийся в уменьшении перепадов давления, снижается.

Список литературы

1.Скочинский А.А., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. – М.: Углетехиз-

дат, 1949. – 448 с.

2.Казаков Б.П., Шалимов А.В., Стукалов В.А. Моделирование аэродинамических сопротивлений сопряжений горных выработок // Горный журнал. – 2009. –

№12. – С. 56–58.

3.Газизуллин Р.Р., Левин Л.Ю., Зайцев А.В. Влияние местных сопротивлений на воздухораспределение в рудниках при реверсивном режиме работы главной вентиляторной установки // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2012. – № 5. – С. 227–230.

4.Versteeg H., Malalasekera W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method (2nd Edition), Pearson Education Limited, 2007. – 593 p.

5.Rannacher R. Finite Element Methods for the Incompressible Navier-Stokes Equations. Fundamental Directions in Mathematical Fluid Mechanics. – Birkhauser, Basel-Boston-Berlin, 2000. – P. 191–293.

422

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

УВЕЛИЧЕНИЕ НЕФТЕОТДАЧИ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ВЫСОКОВЯЗКОЙ НЕФТИ

(НА ПРИМЕРЕ НЕФТЕШАХТ ЯРЕГСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ)

К.В. Симонова

Научный руководитель – канд. техн. наук, доцент Е.В. Челпанова Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Запасы тяжелой нефти и природных битумов намного превышают запасы легкой нефти, и в будущем их разработка займет ведущее место. Главной проблемой добычи высоковязкой нефти заключается в малом коэффициенте нефтеотдачи. Внедрение дополнительных методов, усовершенствование уже применяемых или их комбинирование может привести к повышению показателей добычи на месторождениях тяжелой нефти.

Ключевы слова: нефтеотдача, высоковязкая нефть, термошахтный способ, вязкость.

Внастоящее время наиболее быстрыми темпами отрабатывают легкую нефть с вязкостью до 50 мПа·с, в отличие от запасов тяжелой нефти с вязкостью свыше 50 мПа·с и природных битумов. Существует мнение [1], что важнейшей составляющей сырьевой базы нефтяной отрасли России, а также ряда других нефтедобывающих стран в ближайшее время станут именно запасы тяжелой нефти и природных битумов, запасы которых, по оценкам специалистов, почти

впять раз превышают запасы легкой нефти. Мировой суммарный объем оценивается в 810 млрд т, а остаточный извлекаемый объем запасов нефти малой и средней вязкости – в 162,3 млрд т.

Сложность добычи высоковязкой нефти заключается в высоком содержании серы, парафина, смолистых веществ, а также в малом коэффициенте нефтеотдачи залежей.

Существуют разные способы добычи тяжелой нефти. Так, например, в Канаде нефтеносные пески добывают открытым способом с последующим отделением нефти на обогатительных фабриках. Такой способ добычи возможен при небольшой глубине залегания нефтеносных пластов и наносит непоправимый вред окружающей среде.

ВТатарстане ОАО «Татнефть» ведет опытно-промышленную эксплуатацию и разработку Ашальчинского месторождения битумной нефти, на котором пробуриваются пары скважин, работающие по парогравитационной технологии [2]. Метод парового гравитационного дренажа заключается в закачивании пара в верхнюю скважину, который поднимается вверх, образуя паровую камеру. Разогретая водяным паром нефть вместе с конденсатором стекает в нижнюю скважину, из которой она добывается на поверхность. Вязкость нефти в пластовых условиях при температуре 8 °С составляет примерно 25 тыс. МПа·с.

ВРеспублике Коми ООО «ЛУКОЙЛ-Коми» на Ярегском нефтетитановом месторождении для добычи тяжелой высоковязкой нефти применяется шахтный способ добычи нефти с тепловыми методами воздействия на пласт (термошахт-

423

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

ный способ). С 1968 г. здесь были начаты и по настоящее время ведутся промышленные работы по воздействию на пласт теплоносителем. Технологические преимущества шахтной добычи нефти – непосредственный доступ к продуктивному пласту (что позволяет свести к минимуму потери теплоносителей до внесения их в продуктивный пласт, осуществить более полное вскрытие продуктивного пласта и использование запасов нефти), а также независимость выполнения всех работ от погодных условий. Однако шахтная добыча нефти сопряжена с необходимостью работы людей под землей и увеличением себестоимости добычи за счет проведения и поддержания подготовительных горных выработок. В последние годы для повышения эффективности добычи нефти на месторождении внедряется новое оборудование, например буровой станок VLD-1000, с помощью которого возможно увеличить дебит скважины. Повышение дебита обеспечивается преимуществами использования данного станка с направленной системой бурения. Длина скважин увеличивается с 300 до 1000 м, тем самым обеспечивая увеличение зоны отрабатываемого пласта, при этом улучшается качество скважин, т.е. скважины работают полностью по всей длине.

Нефтеотдача на Ярегском нефтетитановом месторождении составляет около 60 %. В рамках НИРС при анализе известных способов повышения нефтеотдачи оценена возможность их применения для условий отработки запасов на Ярегском нефтетитановом месторождении.

На нефтяных месторождениях вязкость нефти зависит от пластового давления, температуры и количества растворенного в ней газа. С изменением давления вязкость нефти изменяется незначительно, но с увеличением температуры и количества растворенного в нефти газа существенно снижается, и, следовательно, подвижность ее в пластовых условиях увеличивается и улучшает приток к эксплуатационным скважинам [3, 4]. Поэтому для повышения коэффициента нефтеотдачи и увеличения темпов отбора нефти применяется термическое воздействие на пласт. Оно целесообразно на месторождениях с высоковязкой нефтью [4]. Важным преимуществом методов теплового воздействия на пласт являются меньшие, по сравнению с другими методами, капитальные вложения и эксплуатационные затраты, поэтому в работе не рассматривались варианты полного отказа от теплового воздействия, а анализировались возможности использования данного метода совместно с другими способами воздействия на залежь.

Метод заводнения с углекислотой основан на том, что двуокись углерода CO2, растворяясь в нефти, увеличивает ее объем и уменьшает вязкость, а с другой стороны, растворяясь в воде, повышает ее вязкость [5]. Сложность метода заключается в транспортировке CO2, также данный способ может привести к повышенному содержанию CO2 в шахтной атмосфере, что приведет к необходимости увеличения количества подаваемой струи свежего воздуха, и, следовательно, нужно будет увеличить количество горных выработок.

Увеличение нефтеотдачи пласта с помощью заводнения водорастворимыми ПАВ обеспечивается в результате снижения поверхностного натяжения на границе нефти и вытесняющей жидкости и нефть – порода [4]. За счет улучшения сма-

424

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

чиваемости породы водой она впитывается в поры, занятые нефтью, равномернее движется по пласту и лучше вытесняет нефть [6]. Однако метод не рекомендуется использовать при высокой вязкости нефти (более 50 мПа·с), и применение способа на Ярегском месторождении вместе с термошахтным может привести к загрязнению шахтной атмосферы посторонними вредными веществами при подаче пара в подземные выработки в случае прорыва трубопровода. Также возникает проблема отделения ПАВ от нефти.

Аналогичные проблемы могут возникнуть и при применении растворов щелочей. Данный способ является одним из самых эффективных способов уменьшения контактного угла смачивания породы водой, т.е. гидрофилизации пористой среды, что приводит к повышению коэффициента вытеснения нефти водой [6].

Микробиологическое воздействие – это технологии, основанные на биологических процессах, в которых используются микробные объекты. В течение процесса закачанные в пласт микроорганизмы метаболизируют углеводороды нефти и выделяют полезные продукты жизнедеятельности [6]. Данный способ может применяться для повышения нефтеотдачи. Но для применения этого способа с паротепловым требуются дополнительные испытания.

Метод, заключающийся в вытеснении нефти при внутрипластовом горении, при разработке залежи нефти сводится к образованию и перемещению по пласту высокотемпературной зоны сравнительно небольших размеров, в которой тепло генерируется в результате экзотермических реакций между частью содержащейся в пласте нефти и кислородом, содержащимся в нагнетаемом воздухе. Механизм вытеснения нефти из пласта является следствием поддержания и перемещения по пласту указанной высокотемпературной зоны [5]. С нашей точки зрения, этот метод сложно осуществим в шахтных условиях, но для высоковязкой нефти, добываемой с поверхности, он может успешно применяться. Главным недостатком является потеря части нефти, а также ценных попутных компонентов.

Многие методы воздействия на нефтяную залежь возможно комбинировать с термошахтным способом, что может привести к увеличению нефтеотдачи. Внедрение дополнительных методов приведет к удорожанию добычи нефти, некоторые комбинации химических веществ могут неблагоприятно сказаться на условиях труда рабочих в подземных горных выработках, что потребует разработки новых технологических решений, но повышение эффективности отработки нефтяных залежей должно оправдать дополнительные затраты. На наш взгляд, наиболее продуктивным методом повышения эффективности добычи высоковязкой нефти является метод микробиологического воздействия, главное его преимущество в том, что он может применяться для нефти любой вязкости, что уже доказано [6].

Список литературы

1. Максутов Р., Орлов Г., Осипов А. Освоение запасов высоковязких неф-

тей в России [Электронный ресурс]. – URL: http://www.oilcapital.ru/edition/tech-

425

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

nik/archives/technik/technik_06_2005/81690/public/82177.shtml (дата обращения: 03.11.13).

2.Аристов Б.В. Технология и оборудование для добычи битумных нефтей // Нефтегазовая вертикаль. – 2009. – 12. – С. 81–83.

3.Махмудбеков Э.А., Вольнов А.И. Интенсификация добычи нефти. – М.:

Недра, 1975. – 265 с.

4.Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа. – М.:

Альянс, 2010. – 588 с.

5.Технология и техника добычи, хранения и транспорта нефти и газа / А.И. Акульшин, В.С. Бойко, В.М. Дорошенко, Ю.А. Зарубин. – Львов: Свит,

1991. – 247 с.

6. Обзор современных методов повышения нефтеотдачи пласта: [Электрон-

ный ресурс] // Обзор НИК Петрос©. – URL: http://petros.ru/worldmarketoil/?action = show&id = 267 (дата обращения: 07.02.14).

426

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ШАХТНЫХ ВОЗДУХОПОДАЮЩИХ СТВОЛОВ ГЛУБОКИХ МНОГОГОРИЗОНТНЫХ РУДНИКОВ

К.В. Третьякова

Научный руководитель – С.В. Мальцев Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Рассмотрена возможность определения аэродинамического сопротивления шахтных воздухоподающих стволов глубоких многогоризонтных рудников экспериментальным способом. Также доказано, что ошибка в определении падения давления и количества воздуха в стволе напрямую влияет на аэродинамическое сопротивление.

Ключевые слова: аэродинамическое сопротивление стволов, воздухоподающий ствол, гидростатическое сжатие воздуха, глубокий многогоризонтный рудник, падение давления, количество воздуха.

В настоящее время исчерпание легкодоступных богатых залежей полезных ископаемых обусловливает необходимость перехода на удаленные участки шахтного поля и глубокие и сверхглубокие горизонты, где содержание полезного компонента в руде значительно ниже. В связи с этим возникают вопросы, связанные с проектированием проветривания новых участков и горизонтов.

При проектировании вентиляции рудника с учетом новых горизонтов особенно важноточновычислитьаэродинамическиесопротивлениягорныхвыработокрудника.

Сопротивление действующих выработок рудника определяется по экспериментальным данным.

где h – потеря давления (депрессия) в пределах горной выработки; Q – количество воздуха, проходящее по горной выработке.

Ошибка в определении падения давления и количества воздуха в стволе напрямую влияет на аэродинамическое сопротивление.

Разделим обе части уравнения (3) на R, тогда:

427

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

В результате получим зависимость относительной погрешности аэродинамического сопротивления ствола от относительной погрешности определения депрессии и количества воздуха:

Данную зависимость необходимо использовать при определении аэродинамического сопротивления стволов глубоких рудников.

При определении депрессии горных выработок барометрическим способом необходимо учитывать изменение атмосферного давления и гидростатическое сжатие воздуха при опускании на нижележащие горизонты. Падение давления на горной выработке определяется по формуле

h = P − (P ± ∆ PАтм− ρср g L), (6)

1 2

где P1 – абсолютное давление в начальной точке, Па; P2 – абсолютное давление в конечной точке, Па; ± ∆PAтм – изменение атмосферного давления, Па (знак «+» – атмосферное давление возросло, знак «–» – атмосферное давление снизилось); ρ – плотность воздуха, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; L – перепад высот между начальной и конечной точкой, м.

Многочисленными экспериментальными данными доказано, что при последовательном замере давления в начале и в конце выработки измерение атмосферного давления ∆РАтм = 10…15 Па (время между двумя замерами до 10 мин). Гидростатическое сжатие воздуха на горизонтальных горных выработках не будет значительно влиятьнаобщуювеличину депрессии горной выработки.

Определение падения давления на стволах более трудоемкий и продолжительный процесс. В условиях глубоких рудников изменение атмосферного давления и гидростатическое сжатие воздуха влияют на точность определения депрессии ствола.

Многочисленные экспериментальные замеры показали, что в зависимости от метеорологических условий изменение атмосферного давления достигает ~500 Па за 2 ч [3].

Введение поправки на гидростатическое сжатие воздуха (слагаемое «ρср·g·L») с опусканием его на глубину требует точного определения плотности воздуха на участке ствола. Плотность воздуха определяется по формуле [2]

428

Секция 5. Разработка месторождений полезных ископаемых

где P – абсолютное давление воздуха, Па; T – температура воздуха, ºС; ξ – относительная влажность воздуха, %.

Точность определения перепада давления в стволах глубоких рудников напрямую зависит от определенного значения плотности воздуха. Установлено, что при отклонении средней плотности воздуха на 0,01 кг/м3 в стволе длиной 1000 м падение давления изменится на 98 Па. Для стволов, депрессия которых ~400–500 Па, погрешность составляет 20–25 %. В соответствии с [3] максимальная относительная погрешность плотности воздуха в стволах составляет δρmax = 0,06 %.

В условиях глубоких многогоризонтных рудников задача определения средней плотности воздуха осложняется многочисленными сопряжениями с горизонтами. На этих участках в соответствии с замерами плотность меняется нелинейно.

На основании данных таблицы построены графики зависимости плотности воздуха от глубины ствола (воздухоподающий ствол). Каждый из графиков получен путем замера термодинамических параметров воздуха в отдельно взятый день.

Из рисунка видно, что на обоих графиках на участке ствола 80–810 м плотность меняется линейно. В [1] доказано теоретически, что отклонение графика плотности воздуха на километровом стволе от линейного составляет 0,3 % среднего значения плотности. После сопряжения ствола с горизонтом (810 м) график изменения плотности становится нелинейным, однако через 70 м точки замера ложатся на линейную часть графика.

429

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Рис. Экспериментальный график изменения плотности воздуха в зависимости от глубины ствола (воздухоподающий ствол)

Проведенные исследования показали, что для определения аэродинамического сопротивления стволов глубоких многогоризонтных рудников экспериментальным способом необходимо проводить замеры на протяженном прямолинейном участке ствола. Замеры следует начинать через 9 диаметров ствола после сопряжения с горизонтом. В рамках работы доказано, что ошибка в определении падения давления и количества воздуха в стволе напрямую влияет на аэродинамическое сопротивление.

Список литературы

1.Казаков Б.П., Исаевич А.Г., Мальцев С.В. Особенности определения аэродинамических сопротивлений глубоких рудников шахтных стволов // Горный ин- формационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2013. –

№12. – С. 164–168.

2.Богословский В.Н. Отопление и вентиляция. – Ч. II. – М.: Стройиздат,

1976. – С. 512.

3. Мальцев С.В. Исследование факторов, влияющих на измерение аэродинамического сопротивления стволов глубоких рудников // Стратегия и процессы освоения георесурсов: сб. науч. тр. // ГИ УрО РАН. – Пермь, 2014. – Вып. 12.

430