Том 335 № 5 (2024)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2024/5/4531
Растепление многолетнемерзлых пород при эксплуатации геотермальных скважин в Восточной Сибири
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.
Ключевые слова:
геотермальная энергия, геотермальная скважина, растепление многолетнемерзлых пород, теплоперенос, математическое моделирование