Способ определения толщины ледяной облицовки подземного хранилища в зоне вечной мерзлоты

(51)5 В 65 б 5/ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЬСТВУ Н АВТОРСКОМУ СВИ к технологии в вечномерзОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Институт мерзлотоведенияСО АН СССР(56) СН 315 в . Временные указания попроектированию и строительству подземныххранилищ (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 рассыпныхместорождений полезных ископаемых, Сб. н.тр., Магадан, 1977, 37, с. 47 - 58.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЕДЯНОЙ ОБЛИЦОВКИ ПОДЗЕМНОГО ХРАНИЛИЩА В ЗОНЕ ВЕЧНОЙМЕРЗЛОТЫ(5) Изобретение относитсясоздания подземных хранилищ Изобретение 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 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 хранилигце 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 определе- Я ния толщины ледяной облицовки ионов хлора связано с их распространенностью и ф простотой определения их концентрации. Ис- фф ф пользование 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(2) 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(1)где Ф - постоянная, зависящая от соотношения концентрации ионов хлораво льду и исходной воде;Го - начальный объем воды в хранилище;5 - площадь смоченной поверхности хранилища;Со и С - концентрации ионов хлора соответственно в начальный и контролируемый моменты времени. В качестве показателя степени кристаллизации воды принято изменение концентрации ионов О потому, что, во-первых, они содержатся в лк)бой природной воде, во-вторых, концентрация ионов О во льду прямо- пропорциональна концентрации их в исходной воде.Уравнение баланса компонента минерализации воды, отражающее степень криогенного преобразования ее в замкнутом объеме, можно представить в виде где Го и Со - объем воды и концентрацияв ней ионов О в начальныймомент времени;Р и С - объем незамерзшей воды иконцентрация в ней ионов О вконтролируемый момент времени;ли С - объем намерзшего на стенкахвыработки льда и концентрация в нем ионов О в контролируемый момент времени.Кроме того, объем воды в хранилищеможно представить как сумму объемов незамерзшей и замерзшей частей воды, т. е.1 о=Ъ с+ - ,1 л(3),а где а= в- коэффициент объемного рас 7 ьЪл ширения воды при переходе еев 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.4 1 . С - Со(4)1 о -- " Сс 20 25 Зо 35 40 45 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(5)1 о Сгде Ч - 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 т определяют в каждом случае создания ледяной облицовки химическим анализом проб воды, из которой она намораживается, П робы воды с начальным объемом о и 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 У и концентрацию в ней ионов хлора Спосле чего по формуле (3) определяют объем льда в сосуде строят график зависимости х/оо(С - Со) /С;, из которого определяют величину Ф .Для определения толщины ледяной облицовки в хранилище Ь замеряют начальный обьем воды в хранилище Уо, концентрацию в ней ионов хлора Со, площадь смоченной поверхности стенок хранилища 5 и в контролируемый момент отбирают из хранилища пробу воды, определяют в ней концентрацию ионов хлора Сь после чего производят расчет толщины ледяной сблицовки по формулеУ С - Со(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 О и объему вытесненной воды в обсадную трубу (контрольный метод) .Предварительно в лабораторных условиях были проведены эксперименты по определению постоянной Ф для хлора. Пробыформула изобретения Способ определения толщины ледянойоблицовки 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 концентрацииионов 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 б ледяной облицовки определяют по формуле ЛУ=-(а - 1) (Уо - Ус). Кроме того, это же количество воды можно выразить формулойЛУ = - . - Лй, (8)35 где д, - диаметр обсадной трубы;Лй в поднят уровня воды в обсаднойтрубе.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(9) Уо С - Соо=ивС и 1 У45Высокая точность контрольного метода обеспечивается тем, что объем вытесненной воды из резервуара определяется по величине поднятия уровня воды в трубе с относительно небольшим диаметром (д=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 У, и концентрацию в ней ионов хлора С и по формуле (3) рассчитывали объем льда в колбе. Затем построили график зависимости У/Уо - (С - Со)/С (фиг, 2) и из соотношения Л(Ул/Уо)/Ь(С - С/С определили значение Ф.После этого резервуар заполнили водой с начальной концентоацией ионов хлора Со= 105,6 мг/л. Начальный объем воды Уо определили с помощью расходомера. После этого через 6 и 12,5 мес из резервуара взяли пробы воды и определили в них концентрации ионов хлора Си 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, закпючающемся в том, что вода при замерзании увеличивается в объеме. Коэффициент объемного увеличения объема воды при переходе ее в лед а=1,09.Количество воды, отжимаемой из хранилища 1 (фиг. 1) в трубу 3 в процессе ее кристаллизации, можно записать в виде=0,5 и 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 Уо=1230 мз; 5=555 мо а= - 1,09 мм; Ф =1,36 и Со=105,6 мг/л.Как следует из данных таблицы, погрешность определения объема льда по сравнению с контрольным не превышает 5 Я.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 - постоянная, зависящая от соотношения концентрации ионов хлора во льду и исходной воде; Уо - начальный объем воды в хранилище; 5 - п,пощадь смоченной поверхности хранилища;Со и С - концентрации ионов хлора соответственно в начальный и контролируемый моменты времени.1546356 Смг/л Способ Найден экстраполяцией кривой роста льда в резервуаре, построенной поданным 6-месячных наблюдений за поднятием уровня воды в обсадной трубе(фиг,3),Предложенныйконтрольный Ся Г дЬ,м % Ьм С, мг/л Чм Ь,м Через 6 мес, после заполне- Через 12,5 мес, после заполния резервуара водой нения резервуара водой 111,6 - 90 О, 16 119 189 0,34 38,3 91 0,16 180 0,32,месяцы Ар Соста витель Техред И. Верес Тираж б 34 митета по изоо ва, Ж - 35, Р й комбинат ПиповКорректор С. ШевкунПодписноеи открытиям при ГКНТ ССна 6., д. 4/5Ужгород, ул. Гагарина, 1 О