научная статья по теме К ТЕОРИИ ИНЖЕКЦИИ ВЛАЖНОГО ПАРА В ПОРИСТУЮ СРЕДУ Физика

Текст научной статьи на тему «К ТЕОРИИ ИНЖЕКЦИИ ВЛАЖНОГО ПАРА В ПОРИСТУЮ СРЕДУ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 6, с. 938-946

УДК 532.546; 536.421.

К ТЕОРИИ ИНЖЕКЦИИ ВЛАЖНОГО ПАРА В ПОРИСТУЮ СРЕДУ

© 2004 г. В. Ш. Шагапов*, И. Р. Рахматуллин**, Л. А. Насырова*

*Институт механики УНЦ РАН, г. Уфа **Бирский государственный педагогический институт Поступила в редакцию 17.11.2003 г.

Рассмотрена плоская одномерная задача об инжекции влажного пара в пористую среду. Исследовано влияние параметров, определяющих начальное состояние пористой среды, граничного давления, температуры и влагосодержания пара на темп распространения гидродинамических и температурных полей в пористой среде.

ВВЕДЕНИЕ

Один из способов добычи высоковязких битумных нефтей из подземных недр основывается на разжижении содержимого пористой среды посредством закачки теплоносителей. Наиболее простым и экологически чистым теплоносителем является влажный водяной пар, содержащий мелкие капельки воды [1-3]. Кроме того, с помощью закачки пара можно очистить коллекторы от склеротических бляшек, образовавшихся вследствие отложений твердой фазы (например, парафинов, газогидратов и льдинок) на стенки пористой среды. Здесь рассмотрена задача о закачивании влажного пара через границу пористой среды без учета эффектов, связанных с тепловым разрушением твердой фазы.

Основные уравнения. Для описания процессов фильтрации и тепломассопереноса при закачивании влажного пара в пористую среду, насыщенную газом, примем следующие допущения. Будем полагать, что скелет пористой среды несжимаем и неподвижен, пористость постоянна. При инжекции влажного пара в пористой среде образуется три зоны: дальняя, в которой фильтруется газ, насыщающий пористую среду в исходном состоянии; ближняя, примыкающая к границе нагнетания, в которой фильтруется влажный пар и промежуточная водонасыщенная, разделяющие зоны фильтрации газа и пара. Процесс фильтрации влажного пара происходит в равновесном режиме (скорости, температуры капелек и пара одинаковы, и в зоне фильтрации влажного пара выполняется уравнение Клапейрона-Клаузиуса). Эффектами, связанными с фазовыми переходами в самом скелете пористой среды, будем пренебрегать.

В рамках принятых допущений запишем уравнения сохранения масс

д( ') + дх(Рт) = (1 = 1V,1> 8(1)

где т, р; и V - пористость, плотность и скорость фаз. Нижние индексы V, I, 8, 5 здесь и в дальнейшем будут относиться соответственно к влажному пару, воде, газу и пористому скелету.

Процессы фильтрации влажного пара, воды и газа будем описывать законом Дарси

k д p

mvi = --дХ, (i = lv, l, g),

(2)

где р, к и - давление, коэффициент абсолютной проницаемости и динамическая вязкость фаз.

Уравнение притока тепла в однотемператур-ном приближении, пренебрегая связанными с ба-ротермическим эффектом слагаемыми, запишем [4, 5] в зоне фильтрации влажного пара в виде

д Т д Т д л д тл

pc д + piv civmviv Tx = дХ ГдХ J +

+ m pivl gj + v l v ^ J ,

(3)

pc = mPivClv + (1- m)Pscs, X = mXlv + (1- m)XS и в зоне фильтрации воды и газа

T дг

дТ д (г. дтл p c37 + pi^iYx = эХ(X ЭХ J'

(4)

р с = т р + (1- т )рс, X = тХ] + (1- т)Х5, () = I, 8).

Здесь Т, р^, ф - температура, средняя плотность влажного пара, массовое содержание воды в паре; рс - удельно-объемная теплоемкость системы "пористая среда-пар, вода или газ"; X - коэффициент теплопроводности системы "пористая среда-пар, вода или газ"; с, Х( = IV, I, 8) -удельная теплоемкость фаз и коэффициент теплопроводности фаз; I - удельная теплота фазового перехода. Поскольку в значения рс и X основной вклад вносят параметры скелета пористой

среды, то во всей зоне фильтрации (в зонах фильтрации пара, воды и газа) будем полагать их значения постоянными (рс ~ рс = const, X ~ Xs = const). Последнее слагаемое в (3) соответствует тепловому эффекту фазовых переходов в зоне фильтрации влажного пара.

Для средней плотности влажного пара запишем соотношение

_! = Ф + П + Ф)

"г >

Plv Pl Pv

(5)

в котором pv, р1 - плотности пара и воды в капельках. Для пара и газа примем уравнение Менделеева-Клапейрона, а плотность воды - константой

рj = rt' (j = v, g), Pi = const'

(6)

где Я] - приведенная газовая постоянная.

В зоне совместного присутствия пара и жидко сти, температура и давление удовлетворяют урав нению Клапейрона-Клаузиуса

йр _ I

т (р;1 - р-1)'

(7)

На основе этого уравнения с учетом (6) при условии р^, <§ р1 получим формулу [6], связывающую текущую температуру с давлением

Т = Т, (р) = Т *1п-1 (р*/р), (8)

где и - эмпирические параметры, определяемые на основе табличных данных для зависимости температуры насыщения от давления.

Приведенные выше уравнения дополним соотношениями на границе фазового перехода (х = х^) между зонами фильтрации влажного пара и воды, следующими из закона сохранения массы и условия теплового баланса

mр1;( vlv - ^ = mрl( vl - ^,

(9)

X

dT д x

- IX

( s)

д т

'ВТ Jw =

mр,1 (1 - Ф(S))( vl - Xw),

dx,

(10)

x(s) =

(s)

dt

движения воды и газа, а также соотношение для самой границы имеют вид

dx,

m vl = m vg = mx,

x( m) =

( m)

dt

(11)

Запишем выражения для равенства температур и тепловых потоков на границе х = Х(Ш)

Т = Т = Т

(m) >

Эx J( m) ( dx J( m)'

(12)

Постановка задачи. Пусть в исходном состоянии пористая среда, насыщенная газом, находится при давлении р0 и температуре Т0. Нагнетание осуществляется через границу х = 0 при постоянном значении давления ре. Температура закачиваемого влажного пара равна равновесной температуре при давлении ре (Ту = Ту(ре)), а величина влажности пара равна фе. Начальные и граничные условия в этом случае имеют вид

р = р0, Т = Т0 при х > 0, г = 0,

Р = ре, Т = Те = Т„(ре), (13)

ф = фе при х = 0, г > 0.

В рамках принятой выше системы уравнений эта задача автомодельна. Введем безразмерные давление, температуру и автомодельную переменную

р = p, е = Т, p =

Ро Т 0

2

Jk

(Т)

t

кТ = А, (14) рс

где к(Т) - коэффициент температуропроводности системы.

Тогда из уравнений (1) и (3) после некоторых преобразований в зоне фильтрации пара можно получить

-2p g-Pe ; ( %

Знаки "+" и "-" соответствуют тепловым потокам перед и за границей фазового перехода. На этой поверхности температуру и давление полагаем непрерывными: Т+ = Т- = Т^, р+ = р~ = Здесь и в дальнейшем нижний индекс "(у)" соответствует значениям параметров на границе фазовых переходов.

В соответствии с вышесказанным, наряду с фронтом фазового перехода, введем еще контактную границу (х = х(Ш)) между зонами фильтрации воды и газа. Условия равенства скоростей

d 2Р dp-

mр l;

2 1У dPЛ + Р ln ( Р */Р ) PJ( dp J +

I-2pdi - n dPdi]

' Jaes(P(( 2qdp пlvdp dpJ,

2pdi n dPdi = (i Ф)х -2p dp- nlv dp dp = (1-Ф)х

(15)

х

-2p

1__1Л dP _

P ln (P*/P) PJ dp

- П;

Pln (P*/P) PJ( dp

,2

dP\2 d2P +nlv dppj

ед р) = е* 1п-1( р * /р ), е;( р) =

е* ( р )

Ре^ = т р IV сыц

IV'

Р I V

р

Р 1п ( Р* / Р )'

с ¡^г —

1а —

к\

(р)

к

с То I

(Т)'

к(р) —

Рок

т^ V

при 0 <%<%м.

й %2

й %2

к1

(р)

Ре1 — т р I сп П — (ТГ к

к(р) —

Рок

(16)

РI

Р'

с I —

при

й 2е

•йе

т ^

%(5) < % < %(т).

йе

— -2^ + 2р^(т)^ ,

й %2

Р — тР8С8 ' Р

В-5 Р

(17)

С8 — с пРи ^(т) < % <

%(т) = Х(т/2л*/к ) г .

тактной границей. Следовательно, из-за фазовых переходов на этой границе и значительного различия плотностей влажного пара и жидкости их линейные скорости могут сильно различаться.

Из условия (8) и (10) с учетом закона Дарси (2) на границе фазовых переходов (% = %(5)) получим

(йР)- - п( йР р Iй% ^ Л й% у (5)

П/1 ^ I — 2£(*),

Р±

Р^'

йе)+ й

йе)-

5)

При получении (15) предполагалось, что слагаемое pJp¡ много меньше единицы (состояние влажного пара достаточно далеко от критического).

Из уравнений (1) и (4) после аналогичных преобразований в зоне фильтрации воды и газа имеем

й2р _ п й2 е _ % йе йРйе — 0' - - 2 — -2 % й% -Ре1й^ й% '

тр1( 1-Ф^Щ +2^0

(18)

(19)

Ч 5)

Аналогично из условий (11) и (12) на контактной границе (% = %(т)) имеем

2 ^(т) — ^0-т)'

(20)

'й-э)- — (й-)+

Vй<Цт) Vй<^(т) .

Из начальных и граничных условий (13) следует

р — 1, е — 1 при % — -, Р — Ре, е — е е — еа( ре), (21)

ф — Фе при % — 0.

Проинтегрировав уравнения (16), описывающие фильтрацию воды и температурные поля, для распределений давления и температуры в этой зоне получим

Р — Р(5) + (Р(5) -1 )

%(5)-% %(т) -

( 5)

| ехр(-(% - а%(т))2)й%

Здесь %(5) и %(т) - автомодельные координаты границ, определяемые выражениями %(5) = Х(5-/2л/ к(Т) г,

б — е(5) + (б(т) - е(5))

| еХР (-(% - а%(т))2)й%

(22)

В дальней зоне фильтрация газа идет при поршневом режиме вытеснения водой. Поскольку вязкость газа обычно на порядок ниже вязкости воды <§ то, как следует из закона Дарси, градиент давления (и тем самым перепад давления) в зоне фильтрации газа будет значительно ниже, чем в зоне фильтрации воды. Поэтому в дальнейшем в зоне фильтрации газа давление Р будем полагать постоянным и равным начальному давлению р0 (р = р0 или Р = 1). Отметим, что аналогичное утверждение неверно в общем случае для зоны фильтрации пара, хотя динамическая вязкость пара также значительно ниже, чем у воды. Это связано с тем, что х = Х(5) не является кон-

а — т р ¡с I при %(5)<%<%

з( т)

и аналогично для распределения температуры зоне фильтрации газа -

Р= 1,

| ехр(-(% - р%(т)}2)й%

е — 6(т) + ( 1- 6(т)Г-т-

| ехр(-(% - р%(т)}2)й%

при %(т)<%<-.

(23)

%

Граничные условия (18) и (19) на границе фазовых переходов с учетом аналитических решений (22) могут быть приведены к виду

Э.»- Л; (й( - т)) =0

2р (й й ) (9 (т) - 9 (у)) Х

— (й(у) - т)) 9 - ( р ) Х

Ц/; 9Д Р;)

ч2ч

Х еХР (-(й(;) - ай(т)) ) ^

Х й--+

й(т)

| ехр(-(й - ай(т))2)йй

2 т р » Та 9 ( Р » )

( 1- ф(;})(й0) - й(т)) =

(24)

Из условий (20) на контактной границе с учетом решений (22) и (23) имеем

2 т) = -Л/

( 1- Р(у))

(й(т) - 5})

(25)

(9(т) - 9(;))-

ехр (-(й( т) - ай( т))2 )

(т) (У^йТт)

| еХР (-(й - ай(т))2)йй

= ( 1- 9(т))-

ехФ ( -( й (т) - Р й (т) ) 2 )

| ехр(-(й - Рй(т))2)йй

й(т)

(26)

После некоторых преобразований отсюда можно получить выражения, связывающие значения автомодельной координаты контактной границы й(т) и температуры 9(т) на этой границе с ав

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком