Растепление многолетнемерзлых пород при эксплуатации геотермальных скважин в Восточной Сибири

Abstract

Актуальность исследования обеспечивается широко известными тезисами об энергетической безопасности и переходе на альтернативные источники энергии, снижении выбросов в окружающую среду и энергосбережении в различных отраслях за счет использования геотермальной энергии. Отдельный интерес представляет исследование тепловых режимов месторождений геотермальных источников энергии, расположенных в зонах распространения многолетнемерзлых пород. Работа геотермальных скважин в многолетнемерзлых породах связана не только с опасностью обвалов приустьевой зоны, но и с разрушением конструкций скважин с выводом их из эксплуатации на длительные промежутки времени. Цель: численный анализ процессов теплопереноса в зоне размещения геотермальных скважин с учетом реальных характеристик типичного геологического разреза для прогнозирования растепления многолетнемерзлых пород в Восточной Сибири. Объект: типичная конструкция геотермальной скважины, основные элементы которой (колонны, кондуктор и направления) выполнены из цемента. Методы: простой итерационный цикл совместно с методами двух «дробных шагов» по схеме расщепления и метода прогонки для решения задачи методом конечных разностей. В узловых точках, принадлежащих к нескольким областям, теплофизические характеристики рассчитывались как среднеарифметические. Адекватность результатов численного анализа подтверждается варьированием сеточных параметров, балансом энергии на границах области расчета и сопоставлением результатов исследований с литературными данными. Результаты. Выполнен анализ процессов теплопереноса при эксплуатации геотермальных скважин в Восточной Сибири с учетом изменяющихся по глубине реальных характеристик многолетнемерзлых пород. Выявлено, что радиусы растепления многолетнемерзлых пород для условий Восточной Сибири составляют 12-17 м. Показана целесообразность учета зависимости теплофизических характеристик пород/грунтов в соответствии с параметрами геологического разреза при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов, использующих геотермальную энергию.

Relevance. Ensured by well-known theses about energy security and transition to alternative energy sources, reducing environmental emissions and energy saving in various industries through the use of geothermal energy. The study of the thermal regimes of deposits of geothermal energy sources located in zones of permafrost is of particular interest. The operation of geothermal wells in permafrost is associated not only with the danger of collapses in the wellhead zone, but also with the destruction of well structures with the withdrawal of their operation for long periods of time. Aim. Numerical analysis of heat transfer in the area where geothermal wells are located, taking into account the real characteristics of a typical geological section to predict the thawing of permafrost in Eastern Siberia. Object. Typical geothermal well design, the main elements of which (columns, conductor and directions) are made of cement. Methods. The simple iteration cycle was used in conjunction with the methods of two fractional steps according to the splitting scheme and the sweep method to solve the problem by the finite difference method. At nodal points belonging to several areas, the thermophysical characteristics were calculated as arithmetic averages. The adequacy of the results of the numerical analysis is confirmed by varying the grid parameters, the energy balance at the boundaries of the calculation area, and comparing the research results with literature data. Results. The authors have carried out the analysis of heat transfer during the operation of geothermal wells in Eastern Siberia, taking into account the actual characteristics of permafrost rocks that vary with depth. It was revealed that the radii of thawing of permafrost for the conditions of Eastern Siberia are 12-17 meters. The feasibility of taking into account the dependence of the thermophysical characteristics of rocks/soils in accordance with the parameters of the geological section during the design, construction and operation of objects using geothermal energy is shown