Математическое моделирование равновесного полного замещения метана углекислым газом в газогидратном пласте при отрицательных температурах

Об авторах:

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

Бельских Денис Сергеевич, младший научный сотрудник, Тюменский филиал Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН; denisbelskikh@gmail.com; ORCID: 0000-0002-0813-5765

Аннотация:

Газовые гидраты, в которых содержится наибольшее количество метана на нашей планете, являются перспективным источником природного газа, особенно после истощения традиционных газовых месторождений, запасы в которых оцениваются примерно на 50 лет. Поэтому уже сегодня необходимо проводить исследования методов добычи газа из газовых гидратов для выбора наилучших из них и принятия в будущем обоснованных технологических и инженерных решений.

Одним из таких методов является замещение метана в гидрате углекислым газом. Данная работа посвящена построению математической модели для исследования этого метода. В работе рассматривается следующий процесс: с одной стороны пористого пласта, изначально насыщенного метаном и его гидратом, закачивается углекислый газ, с противоположной стороны этого пласта происходит откачка метана и/или углекислого газа. При этом может происходить как разложение гидрата метана, так и образование гидрата углекислого газа.

Данная задача рассмотрена в одномерной линейной постановке для случая отрицательных температур и газообразного диоксида углерода, т. е. в пласте могут присутствовать метан, углекислый газ, лед, гидраты метана и углекислого газа. Построена математическая модель, в основе которой лежат: законы сохранения масс метана, углекислого газа и льда; закон Дарси для движения газовой фазы; уравнение состояния реального газа; уравнение энергии с учетом теплопроводности, конвекции, адиабатического охлаждения, эффекта Джоуля — Томсона и выделения или поглощения скрытой теплоты гидратообразования. При моделировании принято, что фазовые переходы происходят в равновесном режиме и возможно полное замещение метана углекислым газом. В статье приведены результаты численных экспериментов.

Список литературы:

1. Басниев К. С. Подземная гидромеханика: учебник для вузов / К. С. Басниев, И. Н. Кочина, В. М. Максимов. М.: Недра, 1993. 416 с.

2. Бородин С. Л. Современное состояние исследований, связанных с извлечением метана из гидратосодержащей пористой среды / С. Л. Бородин, Д. С. Бельских // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2018. Том 4. № 4. С. 131-147. DOI: 10.21684/2411-7978-2018-4-4-131-147
   

3. BP Statistical Review of World Energy. 2019. URL: https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistic... (дата обращения: 13.03.2020).

4. Chun-Gang Xu. Effect of pressure on methane recovery from natural gas hydrates by methane-carbon dioxide replacement / Chun-Gang Xu, Jing Cai, Yi-Song Yu, Ke-Feng Yan, Xiao-Sen Li // Applied Energy. 2018. Vol. 217. Pp. 527-539. DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.02.109

5. Dong-Yeun Koh. Energy-efficient natural gas hydrate production using gas exchange / Dong-Yeun Koh, Hyery Kang, Jong-Won Lee, Youngjune Park, Se-Joon Kim, Jaehyoung Lee, Joo Yong Lee, Huen Lee // Applied Energy. 2016. Vol. 162. Pp. 114-130. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.10.082

6. Resources to Reserves 2013 — Oil, Gas and Coal Technologies for the Energy Markets of the Future / International Energy Agency, 2013. DOI: 10.1787/9789264090705-en

7. Канаяма Р. Опыт Японии в разработке газогидратов и его потенциальное применение в целях коммерческой добычи в РФ / Р. Канаяма, Д. О. Тыртышова // Трансформация мировой энергетики: рыночные механизмы и государственная политика. М.: ИМЭМО РАН, 2016. C. 100-105.

8. Латонов В. В. Расчет коэффициента сжимаемости природного газа / В. В. Латонов, Г. Р. Гуревич // Газовая промышленность. 1969. № 2. C. 7-9.

9. Musakaev N. G. To the question of the interpolation of the phase equilibrium curves for the hydrates of methane and carbon dioxide / N. G. Musakaev, S. L. Borodin // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 115. 05002. DOI: 10.1051/matecconf/201711505002

10. Презентация с пресс-конференции «Финансово-экономическая политика ПАО „Газпром“» (Санкт-Петербург, 28 июня 2018 г.). URL: http://www.gazprom.ru/f/posts/77/684826/presentation-press-conf-2018-06-28-ru.pdf (дата обращения: 17.03.2020).

11. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Варгафтик. М.: Наука, 1972. 720 с.

12. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов / Н. Б. Варгафтик, Л. П. Филиппов, А. А. Тарзиманов, Е. Е. Тоцкий. М.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.

13. Zheng Rong Chong. Review of natural gas hydrates as an energy resource: Prospects and challenges / Zheng Rong Chong, She Hern Bryan Yang, Ponnivalavan Babu, Praveen Linga, Xiao-Sen Li // Applied Energy. 2016. Vol. 162. Pp. 1633-1652. DOI: 10.1016/j.apenergy.2014.12.061