Способ определения толщины ледяной облицовки подземного хранилища в зоне вечной мерзлоты

Способ определения толщины ледяной облицовки подземного хранилища в зоне вечной мерзлоты

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к технологии создания подземных хранилищ в вечномерзлых породах. Цель - снижение трудоемкости и повышение точности определения толщины ледяной облицовки подземного хранилища. Для реализации способа предварительно определяют на пробах воды, из которой намораживают ледяную облицовку, изменение концентрации ионов хлора в зависимости от степени ее кристаллизации. Находят из этой зависимости постоянную для хлора, затем определяют начальный объем воды заполненного хранилища и начальную концентрацию в ней ионов хлора. Ожидают, когда в хранилище образуется ледяная облицовка, после чего отбирают пробу воды из хранилища, определяют в ней концентрацию ионов хлора. Толщину ледяной облицовки определяют по математической формуле. Использование для определения толщины ледяной облицовки ионов хлора связано с их распространенностью и простотой определения их концентрации. Использование способа позволит оперативно и с высокой точностью определять толщину ледяной облицовки в хранилищах. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ соцИАлистических

РЕСПУБЛИН (51)5 В 65 G 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМ,К СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlP ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4403734/23-03 (22) 05.04.88 (46) 28.02.90. Бюл. ¹ 8 (71) Институт мерзлотоведения

СО АН СССР (72) Г. П. Кузьмин, В. K. Давыдов, А. В. Яковлев и H. М. Бабий (53) 621.642.37 (088.8) (56) СН 315 — 65. Временные указания по проектированию и строительству подземных хранилищ (для светлых нефтепродуктов) .

М.: Госстройиздат, 1965.

Чабан П. Д., Гутин И.М. и Корягина Т. Н.

Решение задачи о ледяной облицовке подземных выработок на ЭВМ.— В кн.: Разработка вечномерзлых рудных и рассыпных месторождений полезных ископаемых. Сб. н. тр., Магадан, 1977, 37, с. 47 — 58. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЕДЯНОЙ ОБЛИЦОВКИ ПОДЗЕМНОГО ХРАНИЛИЩА В ЗОНЕ ВЕЧНОЙ

МЕРЗЛОТЫ (57) Изобретение относится к технологии создания подземных хранилищ в вечномерзИзобретение относится к технологии сооружения подземных хранилищ в толще вечномерзлых пород, в частности к способу определения толщины облицовки хранилища.

Цель изобретения — снижение трудоемкости и повы шение точности определения толщины ледяной облицовки подземного хранилища путем сокрашения количества расчетных характеристик.

На фиг. 1 изображено хранилище, построенное в толще мерзлых пород методом гидроразмыва; на фиг. 2 — график зависимости отношений объемов образовавшегося льда и объема хранилища от отношения разности величии концентрации ионов хлора

„„Я0„„1546356 А ) 2 лых породах. Цель — снижение трудоемкости и повышение точности определения толщины ледяной облицовки подземного хранилища. Для реализации способа предварительно определяют на пробах воды, из которой намораживают ледяную облицовку, изменение концентрации ионов хлора в зависимости от степени ее кристаллизации.

Находят из этой зависимости постоянную для хлора, затем определяют начальный объем воды заполненного хранилища и начальную концентрацию в ней ионов хлора.

Ожидают. когда в хранили гце образуется ледяная облицовка, после чего отбирают пробу воды из хранилища, определяют в ней концентрацию ионов хлора. Толщину ледяной облицовки определяют по математической формуле. Использование для определения толщины ледяной облицовки ионов хлора связано с их распространенностью и простотой определения их концентрации. Использование способа позволит оперативно и с высокой точностью определять толщину ледяной облицовки в хранилищах. 3 ил. в воде в контрольный и начальный моменты заполнения хранилища к величине концентрации ионов хлора в воде в контрольный момент; на фиг. 3 — график зависимости объема льда, образующегося в хранилище, от времени ожидания.

Способ реализуется следующим образом.

Перед заполнением хранилища 1 через буровую скважину 2, обсаженную металлической трубой, на пробах воды, из которой намораживают ледяную облицовку 4, проводят исследование изменения концентрации ионов хлора в воде в зависимости от стспени ее кристаллизации, находят из этой зависимости постоянную для хлора, далее

1546356

V,С =VC+VС, (2) 50

55 определяют начальный объем воды заполненного хранилища и начальную концентрацию в ней ионов хлора, выдерживают хранилище до создания в нем ледяной облицовки, после чего отбирают пробу воды из хранилища, определяют в ней концентрацию ионов хлора и производят расчет толщины ледяной облицовки по формуле

„К СС, 5 С, (1) где Ф вЂ” постоянная, зависящая от соотношения концентрации ионов хлора во льду и исходной воде;

Vo — начальный объем воды в хранилище;

S — площадь смоченной поверхности хранилища;

Со и CI — концентрации ионов хлора соответственно в начальный и контролируемый моменты времени.

В качестве показателя степени кристаллизации воды принято изменение концентрации ионов Cl потому, что, во-первых, они содержатся в лк>бой природной воде, во-вторых, концентрация ионов Cl во льду прямопропорциональна концентрации их в исходной воде.

Уравнение баланса компонента минерал изации воды, отражающее степень криогенного преобразования ее в замкнутом объеме, можно представить в виде где Vo u Co — объем воды и концентрация в ней ионов Cl в начальный момент времени; и С вЂ” объем незамерзшей воды и концентрация в ней ионов Cl в контролируемый момент времени;

V„C„объем намерзшего на стенках выработки льда и концентрация в нем ионов Cl в контролируемый момент времени.

Кроме того, объем воды в хранилище можно представить как сумму объемов незамерзшей и замерзшей частей воды, т. е.

Vo=VI+ —, л (3), а где а= — — коэффициент объемного рас7ь ширения воды при переходе ее в лед; уь — плотность воды; у — объемная масса льда.

На основании уравнений (2) и (3) относительный объем льда в замкнутом объеме выразится как функция концентрации ионов в незамерзшей воде и во льду, т. е.

V i С,— С, (4)

1 о — -" С

ch Ct.

Зо

Формула (4) позволяет определить в любой момент времени объем намороженного льда в хранилище, если известны начальные значения объема воды в хранилище и концентрация в ней ионов хлора, а в контролируемый момент времени найдены значения концентрации ионов хлора в незамерзшей части воды и во льду. Однако отбор образцов льда из резервуара для определения в нем концентрации ионов хлора затруднителен и в связи с нарушением облицовки хранилища недопустим.

В связи с тем, что концентрация ионов хлора во льду прямо пропорциональна концентрации ионов хлора в исходной воде, формулу (4) можно представить в виде

Vo cI I— Co

$ (6) Способ реализован при определении количества льда, намороженного на стенках подземного резервуара объемом 1230 м .

Для сравнения объем льда, намороженного на стенках резервуара, определяли двумя способами — по изменению концентрации ионов Cl и объему вытесненной воды в обсадную трубу (контрольный метод) .

Предварительно в лабораторных условиях были проведены эксперименты по определению постоянной Ф для хлора. Пробы.К„Сi — Co (5)

Vo C где Ч вЂ” постоянная, зависящая от отношения концентраций ионов хлора во льду и исходной воде.

В общем случае на величину Ф может оказывать влияние степень общей минерализации исходной воды. Поэтому значение Ф определяют в каждом случае создания ледяной облицовки химическим анализом проб воды, из которой она намораживается.

Пробы воды с начальным объемом Vo u начальной концентрацией ионов хлора Со, в стеклянных сосудах помещают в холодильную камеру с температурой не ниже — 5 С, затем через разные промежутки времени по одному сосуду извлекают из холодильной камеры, отделяют незамерзшую воду, определяют ее объем VI и концентрацию в ней ионов хлора С„после чего по формуле (3) определяют объем льда в сосуде строят график зависимости х/vp(CI — Cp) /С;, из которого определяют величину Ф .

Для определения толщины ледяной облицовки в хранилище Ь замеряют начальный обьем воды в хранилище Vo, концентрацию в ней ионов хлора Со, площадь смоченной поверхности стенок хранилища S и в контролируемый момент отбирают из хранилища пробу воды, определяют в ней концентрацию ионов хлора Сь после чего производят расчет толщины ледяной сблицовки по формуле

1546356

Формула изобретения

Способ определения толщины ледяной облицовки подземного хранилища в зоне вечной мерзлоты, включающий отбор проб воды, предназначенной для намораживания ледяной облицовки, измерение ее параметров и расчет толщины ледяной облицовки по формуле, отличающийся тем, что, с целью снижения трудоемкости и повышения точности определения толщины ледяной облицовки, предварительно определяют на пробах воды, предназначенной для наморажнвания

30 ледяной облицовки. изменение концентрации ионов хлора в зависимости от степени ее кристаллизации, находят из этой зависимости постоянную для хлора, определяют начальный объем воды заполненного хранилища и,начальную концентрацию в ней ионов хлора, выдерживают хранилище до создания в нем ледяной облицовки, после чего отбирают пробу воды из хранилища, определяют в ней концентрацию ионов хлора, а толщину

b ледяной облицовки определяют по формуле

Л V (n — 1) ° (Уо — V t) .

Кроме того, это же количество воды можно выразить формулой

ЛУ = — .— Лй, (8)

35 где d, — диаметр обсадной трубы;

Лй — поднятие уровня воды в обсадной трубе.

Приравняв формулы (7) и (8), с учетом выражения (3) получаем формулу для определения объема намороженного льда в резервуаре по величине поднятия уровня воды в обсадной трубе, т. е.

2 — .— ".ЛЬ (9) Vo C> — Со о=ив

С< и 1 V

Высокая точность контрольного метода обеспечивается тем, что объем вытесненной воды из резервуара определяется по величине поднятия уровня воды в трубе с относительно небольшим диаметром (d==0,5 м).

Так, согласно формуле (9) при я= — 1,09 и 50 воды с начальной концентрацией ионов хлора

Со=105,6 мг/л и объемом 600 — 1300 см были помещены в холодильную камеру с температурой — (4 — 5) С. На стенках колбы намерзал слой льда. Через разные промежутки времени колбы извлекали из холодильной камеры, отделяли незамерзшую воду, определяли ее объем V и концентрацию в ней ионов хлора С и по формуле (3) рассчитывали объем льда в колбе. Затем построили график зависимости У„/ Vo — (Ci — Со)/Ci (фиг. 2) и из соотношения Л(У /Vo) h((Cr — С /С определили значение Ф.

После этого резервуар заполнили водой с начальной концентрацией ионов хлора Co=

105,6 мг/л. Начальный объем воды Vo определили с помощью расходомера. После этого через 6 и 12,5 мес из резервуара взяли пробы воды и определили в них концентрации HQHoB хлора Сп и С 2. Затем произвели расчет объема намороженного льда в резервуаре по формуле (5) и тс.пщины ледяной облицовки по формуле (6).

Контрольный метод основан на известном физическом законе, заключающемся в том, что вода при замерзании увеличивается в объеме. Коэффициент объемного увеличения объема воды при переходе ее в лед cc=!,09.

Количество воды, отжимаемой из хранилища l (фиг. l) в -.ðóáó 3 в процессе ее кристаллизации, можно записать в виде

: =0,5 м уровень воды в трубе поднимается на 1 см при образовании в резервуаре льда объемом 0,024 м .

В таблице приведены параметры подземного резервуара, характеристики воды и результаты расчетов объема и толщины ледяной облицовки по изобретению и контрольному способу при Vo=1230 мз; S =555 мо

a,= — 1,09 мм; Ф =1,36 и Co=105,6 мг/л.

Как следует из данных таблицы, погрешность определения объема льда по сравнению с контрольным не превышает 5Я.

Таким образом, изобретение позволяет упростить способ и повысить точность определения толщины ледяной облицовки, намораживгемой в подземных хранилищах на вечной мерзлоте, путем сокращения числа расчетных параметров. где Ф вЂ” постоянная, зависящая от соотношения концентрации ионов хлора во льду и исходной воде;

Vo — начальный объем воды в хранилище;

5 — п,лощадь смоченной поверхности хранилища;

Со и С, — концентрации ионов хлора соответственно в начальный и контролируемый моменты времени.

1546356

С, мг/л

Способ

Найден экстраполяцией кривой роста льда в резервуаре, построенной по данным 6-месячных наблюдений за поднятием уровня воды в обсадной трубе (фиг.3), Предложенный

Контрольный

1 д?,м Vn,, Ь,,м С, мг/л Чл„м Ь,м

Через 6 мес. после заполне- Через 12,5 мес, после заполния резервуара водой нения резервуара водой

111,6 — 90 0,16 119 189 0,34

383 91 0,16 180 0,32

1546356

01

) )

Фиг. 2

80 бО

20 б 7 5 8 10 11 72 g, есаць(Фиг. 3

Соста витель В. Архипов

Редактор М. Келемеш Техред И. Верес Корректор С. Шевкун

Заказ 50 Тираж б34 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, 5K — 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, IOI