Численное исследование процессов образования и разложения газовых гидратов в пористых средах конечной протяженности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Столповский, Максим Владимирович

• Столповский, Максим Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Столповский, Максим Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОЦЕССАМ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗЛОЖЕНИЯ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ.

1.1. Некоторые сведения о газовых гидратах и газогидратных технологиях.

1.2. Обзор литературы, посвященный исследованию процессов образования и разложения газогидратов в пористых средах.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ

ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ В ПОРИСТЫХ ПЛАСТАХ, НАСЫЩЕННЫХ

ГАЗОМ И ВОДОЙ.

2.1. Основные уравнения, описывающие тепло- и массоперенос в пористой среде.

2.2.1 Постановки плоскоодномерной и осесимметричной задач об образовании газогидрата в пластах конечной длины.

2.2.2 Начальные и граничные условия.

2.3. Алгоритм численного решения задачи.

2.4. Образование газовых гидратов при продувке пластов газом.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗЛОЖЕНИЯ ГАЗОВЫХ

ГИДРАТОВ ПРИ ТЕПЛОВОМ И ДЕПРЕССИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИЯХ.

3.1. Разложение газогидрата в пористом пласте при тепловом и депрессионном воздействиях на пласт с непроницаемой границей.

3.2. Разложение газогидрата при продувке пласта.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное исследование процессов образования и разложения газовых гидратов в пористых средах конечной протяженности»

Газовые гидраты представляют собой твердые соединения молекул газа и воды, существующие при определенных давлениях и температурах. В; природе газовые гидраты образуются в глубоководных акваториях морей й океанов (в основном на континентальных склонах и подводных поднятиях, в условиях высокого давления^ и низких температур) и в- районах вечной1 мерзлоты — главным образом, из углеводородных газов; чаще всего; метана. В настоящий момент природные газовые гидраты рассматриваются как: перспективные источники углеводородного сырья; Согласно оценкам; запасы природного газа, сосредоточенного в газогидратной фазе, весьма значительны и заметно превышают разведанные запасы газа в свободном' состоянии [7, 48, 80]. Поэтому газовые гидраты; рассматриваются как возможный альтернативный источник энергетического- сырья, топливо будущего [32, 37]. Высокое содержание газа в гидратном состоянии в единице объема по сравнению со свободным- состоянием при той же температуре и давлении' приводит к развитию1 газогидратных технологии, например, для хранения; и транспортировки газа, что особенно важно в-ситуациях, когда есть инфраструктурные ограничения; например такие, как отсутствие трубопроводов.

Несмотря на привлекательность использования газогидратов в качестве перспективного и экологически чистого топлива, обладающего огромными ресурсами, поиски, разведка и разработка их месторождений сопряжены с трудностями, возникающими при-обеспечении технической и экологической безопасности проведения работ. Так, гидраты, существующие при температурах и давлениях близких к условиям их разложения, представляют потенциальную экологическую опасность — в случае смещения теплового равновесия освободившийся метан может внести весомый вклад в «парниковый эффект». Неизбежное изменение термобарических и геолого-технических условий в горных породах и отложениях, а также в технических системах (скважины, трубопроводы, технологические циркуляционные системы) вызывает образование так называемых техногенных гидратов [19, 48]. С проблемой техногенного гидратообразования. впервые столкнулись нефтяники и газовики, когда основные объемы работ стали неуклонно перемещаться на Север. Образование при благоприятных термобарических условиях в призабойной зоне и стволах скважин техногенных газовых гидратов создает дополнительные сопротивления и пробки при движении нефти и газа с последующими затратами на их устранение [30; 37].

Все вышесказанное и определяет актуальность проведенного исследования процессов, происходящих в- пористых средах конечной протяженности с учетом образования м разложения газовых гидратов.

Основной целью диссертационной^ работы- является теоретическое исследование процессов образования, и. разложения < газовых гидратов применительно к проблемам разработки газогидратных месторождений, вопросам консервации и хранения, углеводородного' сырья в гидратном состоянии. Для реализации данной цели в диссертационной работе:

- проведено изучение процессов, происходящих в- пористых средах конечной, длины, изначально насыщенных газом, гидратом и водой при* нагнетании или отборе газа;

- осуществлен анализ влияния исходных параметров среды и условий на внешних границах пласта на особенности протекания процессов образования' (разложения) газовых гидратов и эволюции границ фазовых переходов.

Научная новизна заключается в следующем:

• впервые решены задачи об образовании и разложении газового гидрата в пористой среде конечных размеров, описаны этапы реализации данных процессов, получены распределения основных параметров в пластовой системе (температуры, давления и гидратонасыщенности);

• показано, что в случае нагнетания в пласт холодного (с температурой ниже температуры пласта) газа при определенных начальных и граничных условиях протяженная область образования газового гидрата вырождается во фронтальную поверхность;

• для задач образования и разложения гидрата установлены закономерности данных процессов в зависимости от исходных параметров пористой среды и условий на ее границах.

Достоверность результатов диссертации основана на использовании классических методов и уравнений механики многофазных систем, обусловлена корректной постановкой задач, а также согласием решений с общим термодинамическими представлениями. Надежность расчетов подтверждается тестовыми расчетами и согласованием с аналитическими решениями.

Практическая ценность. Результаты теоретических исследований, полученные в диссертации, могут быть использованы при разработке эффективных и безопасных технологий добычи газа из газогидратных залежей, а также для создания и совершенствования программных средств геолого-гидродинамического моделирования газогидратных месторождений, способов хранения газа в гидратном состоянии в. пористых структурах и определении наиболее выгодных и стабильных режимов консервации газа, в пластовых системах.

Объем, и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 113 страниц, в том числе 37 рисунков. Список литературы состоит из 85 наименований.

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Столповский, Максим Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изучена динамика образования и разложения газовых гидратов в пористой среде конечных размеров при нагнетании и отборе газа (например, через левую границу пласта), когда другая внешняя граница (правая) является либо непроницаемой (закрытой), либо является открытой для потока газа. На основе анализа результатов установлено следующее.

1. При нагнетании холодного газа в пористую среду с закрытой границей, частично насыщенную водой, гидратация пористой среды происходит в два этапа. На первом, быстром по времени автомодельном этапе, происходит частичное образование в объемной зоне за характерное время, определяемое величиной коэффициента пьезопроводности и протяженностью пористой среды. На втором этапе за счет теплопроводности происходит полная гидратация пористой среды.

2. Для задачи о продувке холодным газом пористой среды, изначально содержащей газ и воду, показано, что процесс перехода воды, находящейся в ней, в состав гидрата происходит в; три этапа. На первом, автомодельном этапе, когда влияние правой границы несущественно, в общем случае образуется три области, а именно: ближняя, где в порах присутствуют газ и гидрат, промежуточная, насыщенная газом, гидратом и водой, а также дальняя область, содержащая газ и воду. На втором этапе промежуточная область вырождается во фронтальную поверхность, что связано со сносом тепла от фронта гидратообразования вглубь пласта, приводящим к разложению ранее образовавшегося гидрата. Третий, самый протяженный по времени этап, характеризуется образованием гидрата только лишь на фронтальной поверхности. При этом, в зависимости от значения давления на границе пористой среды и температуры нагнетаемого газа, могут реализовываться решения' с «висячим» на некотором сечении или выносящимся за пределы пористой среды скачками гидратонасыщенности.

3. Разложение гидрата в пористом пласте с закрытой внешней границей при нагнетании в него теплого газа через другую границу пласта происходит только на фронтальной поверхности.

4. При отборе газа из замкнутого резервуара диссоциация гидрата может происходить как в режиме с фронтальной поверхностью, так и в режиме водо-газогидратонасыщенной области. При этом процесс диссоциации гидрата протекает в два этапа. На первом, автомодельном этапе, происходит частичное разложение гидрата в объемной зоне за счет снижения давления пористой среды, а на втором этапе — окончательное разложение гидрата из-за поступления тепла от нагревателя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Столповский, Максим Владимирович, 2011 год

1. Бондарев Э.А., Васильев В.И., Воеводин А'.Ф. и др. Термогидродинамика систем добычи и транспорта газа. Новосибирск.: Наука, 1988.-272 с.

2. Бондарев Э.А., Максимов A.M., Цыпкин Г.Г. К математическому моделированию диссоциации газовых гидратов // Докл. АН СССР. -1989. Т.308. - №3. - С. 575-577.

3. Бык С.Ш., Макогон Ю:Ф., Фомина В.И. Газовые гидраты. М.: Химия, 1980.-296 с.

4. Васильев В.И., Попов1 B.B., Тимофеева Т.С. Вычислительные методы в разработке месторождений нефти и газа. — Новосибирск, 2000. — 127 с.

5. Васильев В.И., Попов В.В., Цыпкин Г.Г. Численное исследование разложения газовых гидратов, сосуществующих с газом в природных пластах // Механика жидкости и газа. — 2006. №4. - С. 127-134.

6. Васильев Ф.П. Разностный метод решения задач типа Стефана для квазилинейного уравнения с разрывными коэффициентами // Докл. АН CGGP. 1964. - Т. 157. - №6. - С. 1280-1283.

7. Веригин* H.H., Голубев B.C. О генерировании пара в подземных пластах-коллекторах // Докл. АН СССР. 1975. Т.223. - №6. - С. 13551358.

8. Веригин H.H., Хабибуллин И.Л., Халиков Г.А. Линейная задача о разложении гидратов газа в.пористой среде //Изв. АН СССР. МЖГ. -1980. -№1. С. 174-177.

9. Вятчинин М.Е., Баталии О.Ю., Вафина Н.Г., Щепкина Н.Е. Определение режимов и зон гидратообразования, в нефтяных скважинах // Нефтяное хозяйство. 2000. - №" 7. — С. 38-441.

10. Галиакбарова Э.В. Некоторые автомодельные задачи фильтрации при разложении' газогидратов в пористых средах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Уфа, 1997.-101 с.

11. Гималтдинов И.К., Мусакаев Н.Г., Хасанов М.К., Столповский М.В. Особенности разложения газовых гидратов при тепловом и депрессионном воздействиях в пластах конечной протяженности // Вестник Тюменского государственного университета. -2011, №7.-С. 6-13.

12. Гриценко А.И., Истомин В.А. и др. Сбор и промысловая подготовка газа на северных месторождениях России. М.: Недра, 1999. 476 с.

13. Гройссман А.Г. Теплофизические свойства газовых гидратов. Новосибирск.: Наука, 1985. 93 с.

14. Гумеров H.A. Автомодельный рост газового гидрата, разделяющего газ и жидкость // Механика жидкости и газа. 1992. — №5. - С.78-85.

15. Гумеров H.A. Диффузионно-прочностной механизм разрушения газового пузыря в области гидратообразования // Итоги исследований ТОММС СО, АН. Тюмень, 1989. № 1. - С.64-66.

16. Гумеров H.A., Федоров K.M. О фазовых диаграммах состояния двухкомпонентных систем в области гидратообразования // Инженерно-физический журнал. 1989. Т.57, №2. С.ЗЗ 1-342*.

17. Дегтярев Б.В., Лутошкин Г.С., Бухгалтер Э.В. Борьба с гидратами при эксплуатации скважин в районах Севера. М.: Недра, 1969. — 119 с.

18. Ершов Э.Д., Лебеденко Ю.П., Чувилин Е.М. Проблемы гидратообразования в криолитозоне. — В кн.: Геокриологические исследования. М., 1989; С. 50 - 63.

19. Истомин В.А. Термодинамика природного газа. М.: ВНИИГАЗ, 1999.- 105 с.

20. Истомин В.А. Фазовые равновесия и физико-химические свойства газовых гидратов: анализ новых экспериментальных данных. М.: ВНИИЭГазпром, 1992.-41 с.

21. Истомин В.А. Физико-химические исследования газовых гидратов: проблемы и перспективы. М.: ИРЦ ГАЗПРОМ, 2000. 71 с.

22. Истомин В.А., Якушев B.C. Газовые гидраты в природных условиях. М.: Недра, 1992.-235 с.

23. Истомин В.А., Якушев B.C. Исследование газовых гидратов в России // Газовая промышленность. 2001. - №6. - С. 49-54.

24. Кэрролл Дж. Гидраты природного газа. Перевод с английского. М.: ЗАО «Премиум Инжиниринг», 2007. - 316 с.

25. Кузнецов Ф.А., Дядин Ю.А., Родионова Т.В. Газовые гидраты — неисчерпаемый источник углеводородного сырья // Российский химический журнал. — 1997. — №6. С. 28-34.

26. Ларионов В.Р., Федосеев С.М., Иванов Б.Д. Перспективы практического; использования газовых гидратов в горном деле. Якутск: 1993.-224 с.

27. Макогон Ю.Ф. Природные гидраты: открытие и перспективы // Газовая промышленность. — 2001, № 5. — С. 10-16.38: Макогон? Ю.Ф., Саркисьянц Г.А. Предупреждение образования гидратов при добыче и транспорте газов. М.: Недра, 1966. 187 с.

28. Максимов A.M. Математическая модель объемной диссоциации газовых гидратов в пористой среде: учет подвижности водной фазы // Инженерно-физический журнал.,- 1992.,— Т. 62; —№1. С. 76-81.

29. Максимов A.M., Цыпкин Г.Г. Явление "перегрева" и образование двухфазной зоны при фазовых переходах в мерзлых грунтах // Докл. АН СССР. 1987. Т. 294. -№5. — С. 1117-1121.

30. Максимов А.М;, Цыпкин Г.Г. О разложении газовых гидратов, сосуществующих с газом в природных пластах. // Изв. АН СССР. МЖГ. 1990. — №5. - С. 84-88.

31. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987. ч.1. -464 с.

32. Нигматулин Р.И: Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987. ч.2. -360 с.

33. Нигматулин Р.И., Шагапов В.Ш., Сыртланов В.Р. Автомодельная задача о разложении газогидратов в пористой среде при депрессии и нагреве // ПМТФ. 1998. - Т.39. - №3. - С. 111-118.

34. Нигматулин Р.И., Шагапов В.Ш., Насырова Л.А. Тепловой удар в пористой4 среде, насыщенной газогидратом // Докл. РАН. — 1998. — Т.39. — №3. — С.1 Ы-118.

35. Низмутдинов Ф.Ф., Хабибуллин- И.Л. Математическое моделирование десорбции газа из газового гидрата. // Изв. РАН МЖГ. — 1996. № 5. -С. 118-125.

36. Нурисламов О.Р., Шагапов В.Ш. Нагнетание газа во влажную пористую среду с образованием газогидрата. // ПММ. 2009. - № 5. -С. 809-823.

37. Родионова Т.В., Солдатов Д;В., Дядин Ю.А. Газовые гидраты в экосистеме Земли // Химия в интересах устойчивого развития. 1998. -Т.6. — №1. — С. 51-74.

38. Смирнов Л.Ф. Кинетические закономерности процесса образования газовых гидратов. // Теоретические основы химических технологий. — 1986. Т. 20, №6. С.755 - 765.

39. Смирнов- Л.Ф. Технологическое использование газовых гидратов. «Природные и техногенные газовые гидраты». Сб. научных трудов. — М.: ВНИИГАЗ, 1990. С 127-166.

40. Соловьев В.А. Газогидроносность недр Мирового океана. Газовая промышленность. 2001 - №12. — С. 19 — 23.

41. Соловьев В.А. Оценка ресурсов газа в газовых гидратах Мирового океана. Газовая промышленность. — 2002. — №1. — С. 16- 77.

42. Сыртланов В.Р. Некоторые особенности фильтрации многофазных систем в пористых средах при наличии фазовых переходов: Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Тюмень, 1994.

43. Сыртланов* В.Р., Шагапов В.Ш. Фронтовая задача о разложении газовых гидратов в пористой среде при высокочастотном электромагнитном излучении // Инженерно-физический журнал. — 1998. Т.71. - №2. - С. 263-267.

44. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической» физики. Mr. Наука, 1972. 735 С.

45. Федоров K.M. Механизмы разложения, газовых гидратов в пористых средах // Итоги исследований ИММС СО АН СССР. Тюмень, 1991. -№2.-С. 72-77.

46. Федоров K.M., Вольф A.A. Анализ условий, существования гидратов углеводородных газов в, пористых пластах. // Итоги- исследований ИММС СО АН.- Тюмень, 1996. -№7 С. 135-140Г

47. Федоров K.M., Вольф A.A. Термодинамические процессы, протекающие при диссоциации газовых гидратов в пористых средах // Труды Второй Российской национальной конференции по теплообмену. М.: МЭИ, 1998. - Т. 5 - С. 295-299.

48. Федоров K.M., Вольф A.A. Некоторые задачи о разложении гидратов углеводородных газов в природных пластах // Итоги исследований ТФ ИТПМ СО РАН. -Тюмень, 2001. -№ 8. -С.123-129.

49. Хасанов М.К. Особенности образования и разложения газогидратов в пористой среде при инжекции газа. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Тюмень, 2007.— 113 с.

50. Хасанов М.К., Гималтдинов И.К., Столповский М.В. Особенности образования газогидратов при нагнетании холодного газа в пористую среду, насыщенную газом и водой // Теоретические основы химических технологий. -2010. Т. 44, №4. С.442 - 449.

51. Цыпкин Г.Г. О разложении газовых гидратов-в пласте // Инженерно-физический журнал. 1991. -Т.60. -№5. - С. 736-742.

52. Цыпкин Г.Г. О режимах диссоциации газовых гидратов в высокопроницаемых пластах // Инженерно-физический журнал. — 1992.-Т.63.-№б.-С. 714-721.

53. Цыпкин- Г.Г. О влиянии подвижности жидкой фазы на диссоциацию газовых гидратов в пластах. // Изв. АН СССР. МЖГ. — 1991. №4. — С. 105-114.

54. Цыпкин Г.Г. Математическая модель диссоциации газовых гидратов, сосуществующих с газом в пластах // Докл. РАН. — 2001. Т. 381. — № 1.-С. 56-59.

55. Цыпкин Г.Г. О режимах диссоциации газовых гидратов, сосуществующих с газом в природных пластах // Инженерно-физический журнал; 2001. - Т. 75. - № 5. - С.24-28.

56. Цыпкин Г.Г. Течения с фазовыми переходами в пористых средах. М.: Физматлит, 2009. 232 с.

57. Черский Н.В., Бондарев Э.А. О тепловом методе разработки газогидратных месторождений // Докл. АН СССР. 1972. - Т. 203. -№3.-С. 550-552.

58. Черский- Н.В. и др. Практические рекомендации по предупреждению гидратообразования на газовых промыслах Севера. Якутск.: изд-во СО АН, 1977.-51 с.

59. Шагапов В.Ш., Сыртланов В.Р. Особенности разложения газовых гидратов в пористых средах. // Итоги исследований ТИММС СО РАН. Тюмень. 1993. №4. - С. 81-93.

60. Шагапов В.Ш., Сыртланов В.Р. Диссоциация гидратов в пористой среде при депрессионном воздействии. // ПМТФ. 1995. - Т. 36. -№4.-С. 120-130.

61. Шагапов В.Ш., Сыртланов В.Р., Галиакбарова Э.В. Депрессионное разложение газогидратов в пористой среде со степенной зависимостью абсолютной проницаемости от гидратонасыщенности.

62. Итоги исследований ТИММС СО РАН. Тюмень, 1995. - №6. -С. 102-111.

63. Шагапов В.Ш., Сыртланов' В.Р., Галиакбарова Э.В. О разложении гидратов в пористой среде, заполненной гидратом и газом, при тепловом и депрессионном воздействии. // Итоги исследований ИММС СО РАН. Тюмень, 1997. - №7. с. 140-151.

64. Шагапов В.Ш., Насырова JI.A. Нагрев пористой среды, частично заполненной газогидратом, при наличии непроницаемых границ. // Теплофизика высоких температур. 1999. - Т.37. - №5. - С. 784-789.

65. Шагапов В.Ш., Мусакаев Н.Г., Хасанов М.К. Нагнетание газа в пористый^ резервуар, насыщенный газом и водой. // Теплофизика и аэромеханика. 2005. - Т.12. - №4. - С. 645-656.

66. Шагапов В.Ш., Хасанов М.К., Гималтдинов И.К., Столповский М.В. Численное моделирование образования газогидрата в пористой среде конечной протяженности при продувке газом // Прикладная механика и техническая физика. 2011. - Т.52. - №4: — С. 116-126.

67. Шагапов В.Ш., Хасанов М.К., Мусакаев Н.Г. Образование газогидрата в пористом-резервуаре, частично насыщенном» водой;, при инжекции холодного газа. // ПМТФ. 2008. - Т. 49. - № 3. - С. 137-150.

68. Holder G.D., Kamath V.A., Godbol S.P. The potential of natural gas hydrates as an energy recourses. // Annual Reviews Energy. 1984. - V. 9. -P.427-445.

69. Melnikov V.,P., Nesterov A.N., Reshetnikov A.M., Zavadovsky A.G. Evidence of liquid water formation during methane hydrates dissociation below the ice point // Chem.Eng.Sci. 2009. - V.64. - P 1160 - 1166.

70. Selim M.S., Sloan E.D. Heat and Mass Transfer during the Dissociation of Hydrates in Porous Media // AIChE Journal. 1989. - V. 35. - № 6. -P. 1049-1052.

71. Sloan E.D. Clathrate hydrates of natural gases. New York, Basel: Marcel Dekker Inc., 1990.

72. Sloan E.D., Fleyfei F.A. A molecular mechanism for as hydrate nucleation from ice // AIChE Journal. 1991. - V. 37. - № 9. - P. 1281 - 1292.

73. Ullerich J.W., Selim M.S., Sloan E.D. Heat and Mass Transfer During the Theory and Measurements of Hydrate Dissociation // AIChE Journal. -1987. -V. 33. -№ 5. -P.747-742.