Динамика разложения газовых гидратов в пористой среде с учетом формирования льда

Об авторах:

Мусакаев Наиль Габсалямович, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры прикладной и технической физики, Школа естественных наук, Тюменский государственный университет, Тюмень, Россия; главный научный сотрудник, Тюменский филиал Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Тюмень, Россия; musakaev68@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-8589-9793

Бородин Станислав Леонидович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Тюменский филиал Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН; eLibrary AuthorID, ORCID, Web of Science ResearcherID, Scopus Author ID, s.l.borodin@yandex.ru; ORCID: 0000-0002-2850-5989

Хасанов Марат Камилович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной информатики и программирования, Стерлитамакский филиал Башкирского государственного университета; hasanovmk@mail.ru

Аннотация:

Природный газ является одним из основных энергоносителей, например, в 2014 году на него приходилось около 22% от мировой произведенной электроэнергии. При этом главным компонентом природного газа является метан (77-99%). Наибольшие запасы метана сосредоточены в газовых гидратах; по разным оценкам, их суммарный объем на два порядка превышает объем традиционных извлекаемых запасов метана. Таким образом, учитывая увеличивающийся спрос и наибольший, среди ископаемых топлив, объем запасов в природе, метан из газовых гидратов является наиболее перспективным источником энергии. А для эффективной добычи метана из газогидратных месторождений необходима теоретическая проработка.

В данной работе рассматривается задача разложения газового гидрата на газ и лед при отборе газа из гидратосодержащей залежи, насыщенной в исходном состоянии метаном и его гидратом. Для решения указанной задачи построена математическая модель неизотермической фильтрации несовершенного газа с учетом образования/разложения гидрата этого газа. На основе данной модели проведено численное исследование влияния массового отбора газа на динамику разложения гидрата. Показано, что в случае отрицательной начальной температуры пласта, диссоциация газового гидрата всегда будет происходить на газ и лед. При этом возможны режимы диссоциации гидрата как с фронтальной поверхностью, так и с объемной областью фазовых переходов. Установлено, что увеличение массового расхода отбора газа сначала ведет к разложению гидрата на фронтальной поверхности, а затем и в объемной зоне. Дальнейшее увеличение расхода ведет к росту протяженности объемной зоны и количества разлагающегося в ней гидрата.

Список литературы:

1. Бык С. Ш. Газовые гидраты / С. Ш. Бык, Ю. Ф. Макогон, В. И. Фомина. М.: Химия, 1980. 296 с.
2. Васильев В. И. Численное исследование разложения газовых гидратов, сосуществующих с газом в природных пластах / В. И. Васильев, В. В. Попов, Г. Г. Цыпкин // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2006. № 4. С. 127-134. DOI: 10.1007/s10697-006-0078-z
3. Истомин В. А. Газовые гидраты в природных условиях / В. А. Истомин, В. С. Якушев. М.: Недра, 1992. 236 с.
4. Латонов В. В. Расчет коэффициента сжимаемости природного газа / В. В. Латонов, Г. Р. Гуревич // Газовая промышленность. 1969. № 2. C. 7-9.
5. Макогон Ю. Ф. Гидраты природных газов / Ю. Ф. Макогон. М.: Недра, 1974. 208 с.
6. Мусакаев Н. Г. Математическое моделирование процесса добычи газа из газогидратной залежи с учетом образования льда / Н. Г. Мусакаев, М. К. Хасанов // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2014. № 7. С. 43-50.
7. Мусакаев Н. Г. Математическая модель и алгоритм решения задачи неизотермической фильтрации газа в пласте с учетом разложения гидрата / Н. Г. Мусакаев, С. Л. Бородин, Д. С. Бельских // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математика. Механика. Физика. 2017. Т. 9. № 2. С. 22-29. DOI: 10.14529/mmph170203
8. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред / Р. И. Нигматулин. М.: Наука, 1987.
9. Хасанов М. К. Особенности диссоциации газогидратов с образованием льда в пористой среде / М. К. Хасанов, Н. Г. Мусакаев, И. К. Гималтдинов // Инженерно-физический журнал. 2015. Т. 88. № 5. С. 1022-1030. DOI: 10.1007/s10891-015-1284-5
10. Цыпкин Г. Г. Аналитическое решение нелинейной задачи о разложения газового гидрата в пласте / Г. Г. Цыпкин // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2007. № 5. С. 133-142. DOI: 10.1134/S0015462807050122
11. Цыпкин Г. Г. Математическая модель диссоциации газовых гидратов, сосуществующих с газом в пластах / Г. Г. Цыпкин // Доклады Академии наук. 2001. Т. 381. № 1. С. 56. DOI: 10.1134/1.1424377
12. Цыпкин Г. Г. О режимах диссоциации газовых гидратов в высокопроницаемых пластах / Г. Г. Цыпкин // Инженерно-физический журнал. 1992. Т. 63. № 6. С. 714-721. DOI: 10.1007/BF00853524
13. Цыпкин Г. Г. Течения с фазовыми переходами в пористых средах / Г. Г. Цыпкин. М.: Физматлит, 2009. 232 с.
14. Шагапов В. Ш. Особенности разложения газовых гидратов в пористых средах при нагнетании теплого газа / В. Ш. Шагапов, М. К. Хасанов, И. К. Гималтдинов, М. В. Столповский // Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т. 20. № 3. С. 347-354. DOI: 10.1134/S0869864313030104
15. Шагапов В. Ш. Динамика образования и разложения гидратов в системах добычи, транспортировки и хранения газа / В. Ш. Шагапов, Н. Г. Мусакаев. М.: Наука, 2016. 238 с.
16. Chernov A. A. New hydrate formation methods in a liquid-gas medium / A. A. Chernov, A. A. Pil’Nik, D. S. Elistratov, I. V. Mezentsev, A. V. Meleshkin, M. V. Bartashevich, M. G. Vlasenko // Scientific Reports. 18 January 2017. Vol. 7. No. 40809. DOI: 10.1038/srep40809
17. Makogon Y. F. Natural gas hydrates – A promising source of energy / Y. F. Makogon // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2010. Vol. 2. No. 1. Pp. 49-59. DOI: 10.1016/j.jngse.2009.12.004
18. Makogon Y. F. Natural Gas-Hydrates – a Potential Energy Source for the 21st Century / Y. F. Makogon, S. A. Holditch, T. Y. Makogon // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2007. Vol. 56. Pp. 14-31. DOI: 10.1016/j.petrol.2005.10.009