传热-对流-传质耦合作用下盐岩水平溶腔的流体运移

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盐岩体是国际上公认的储存能源的理想介质，在我国，盐岩矿床地下储库作为“西气东输”工程的配套工程，主要用来应对因为季候变化所导致的调峰不协调和突发事件中的应急供气。其它国家盐岩储库通常建设在深埋的盐丘中，且大多属垂直储库，但我国盐岩矿床的特征为：盐岩层数相对较多，单层厚度较薄、软弱夹层较多，直接应用国外建造垂直型盐岩储库的工艺，必然会穿过较多的夹层，一方面储库建造的复杂程度和难度不断增加，另一方面在后期运营中，储库的稳定性同样会受到极大的影响。
　　基于我国盐岩矿床的特点，本文以层状盐岩矿床中水溶造腔为背景，通过实验和数值模拟相结合的方式对盐岩水平溶腔的造腔过程中的传热—对流—传质耦合作用下流体运移进行研究，研究成果对工程实践有一定的指导意义。
　　主要研究内容如下：
　　（1）建立与工程中盐岩水平溶腔相似的圆柱形腔体模型。本文采用量纲分析法中的π定理建立相似准则，并确定工程与模型的相似比，根据相似比确定实验中的管柱参数和流量大小等，为了利于观测实验中的流体运移情况，模型腔体采用有机玻璃制成，实验过程与实际工程中的注水排卤工艺相同，完成实验前的准备工作。
　　（2）流体运移示踪剂法实验。考虑不同套管间距、注水流量、盐水浓度、循环方式以及射流方式五种工艺条件下的流体运移规律差异。得出盐岩水平溶腔流场分布从上到下依次为：缓冲扩散区、对流扩散区和饱和沉淀区。缓冲扩散区为盐岩溶蚀的主要区域，对流扩散区是高浓度盐水与低浓度盐水的混合的主要区域，饱和沉淀区的盐水浓度几乎接近饱和，所以此区域的盐岩溶解速度很小。基于五种工艺对水平溶腔流体运移的综合评价，建议套管间距为20 m，注水流量为150 m3/h，循环方式采用正循环，射流方式采用单孔射流，较有利于盐岩水平溶腔的建造。同时实际工程中要采取一定的措施合理控制上溶，且在设计管柱系统在水平盐岩层中的位置时，在保证留有底板的前提下，管柱系统尽量选择盐岩层较低层位，以满足腔体稳定性和对盐岩层空间利用率的最大化。
　　（3）THC耦合作用下盐岩水平溶腔造腔期流体运移数值模拟。通过FLUENT软件对造腔期的流场、浓度场和温度场进行数值模拟，研究不同套管间距、注水流量和循环方式三种工艺条件下，THC耦合作用下的流体运移规律，得出岩盐水平溶腔流场分布规律：从中心管注入的淡水明显的向腔体上部偏转运移，进入腔体顶部的缓冲扩散区，然后遇到腔体上壁面限制后，沿上壁面运移，缓冲扩散区的流速最大，饱和扩散区的流速最小，对流扩散区的流速居中。岩盐水平溶腔浓度场分布规律：除了注水口区域的盐水浓度较低以外，其它区域的盐水浓度均较高。岩盐水平溶腔温度场场分布规律与浓度场分布规律相似。基于套管间距、注水流量和循环方式三种工艺对THC耦合作用下的盐岩水平溶腔流体运移的综合影响，建议套管间距为20 m，注水流量为150 m3/h，循环方式采用正循环，较有利于盐岩水平溶腔的建造。
　　（4）盐岩水平溶腔腔体边界扩展规律研究。注水开采初期，腔内流体流动主要集中在进水口与出水口之间，注入淡水对出水口的左端区域扰动几乎很小，该区域的流体流速极小，溶盐高度极小。随着注水时间的增长及溶解的进行，注水口的盐岩溶解高度明显高于出水口，且注水口上部盐岩溶解高度为整个溶腔内溶盐高度最大的位置,其它位置的盐岩溶解高度逐渐减小。在100天注水时间内，盐岩水平的溶腔形状由开始的扁平型变成楔型。注水周期内，随着溶解的不断进行，出水口流速明显降低，但降低的速率逐渐减小；腔内以及出水口的浓度随注水时间的增加呈逐渐增大的规律，然后随注水时间的增长逐渐趋于平稳；腔内以及出水口的温度随注水时间的变化规律与浓度的变化规律相似。

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作者
李宁;
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作者单位

太原理工大学;

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授予单位太原理工大学;
学科矿业工程
授予学位硕士
导师姓名梁卫国;
年度 2017
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TD871.1;
关键词
盐岩矿床; 水平溶腔; THC耦合; 流体运移; 数值模拟;

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