Численное исследование процесса добычи газа из газогидратной залежи при наличии термического и депрессионного воздействия

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

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:

В настоящее время до сих пор остро стоит вопрос технологии добычи газа из имеющихся газогидратных залежей, которые были обнаружены на шельфе Мирового океана и в районах залегания многолетнемерзлых пород. Это связано с тем, что запасы метана в свободном состоянии существенным образом уступают его запасам в газогидратном состоянии. Одной из задач для возможной добычи газа из гидратосодержащей пористой среды является изучение процесса разложения газогидрата в случае теплового и депрессионного воздействий как наиболее часто применяемых. Необходимо провести теоретическое исследование, которое несет в себе разработку математической модели, ее алгоритмизацию, создание вычислительной программы и проведение численных экспериментов. В работе представлена одномерная осесимметричная задача о нагреве и/или снижении давления на забое скважины, проходящей через всю толщину порис­того пласта, поры которого изначально заполнены метаном и его гидратом. Привлекаемая математическая модель состоит из уравнений неразрывности для метана, его гидрата и воды, уравнения движения газовой фазы в порис­той среде в виде закона фильтрации Дарси, уравнения состояния для метана и воды, уравнения сохранения энергии, в котором произведен учет эффектов Джоуля — Томсона и адиабатического охлаждения для газа, скрытой теплоты фазового перехода «газогидрат ↔ метан + вода». Произведена численная реализация предложенной математической модели и осуществлено численное исследование теплового (термического) и/или депрессионного воздействия на изучаемую гидратосодержащую залежь.

Список литературы:

Басниев К. С., Кочина И. Н., Максимов В. М. 1993. Подземная гидромеханика. М.: Недра. 416 с.

Бондарев Э. А., Рожин И. И., Попов В. В., Аргунова К. К. 2015. Оценка возможности подземного хранения гидратов природного газа в зоне многолетней мерзлоты // Криосфера Земли. Том 19. № 4. С. 64–74.

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

Истомин В. А., Якушев В. С. 1992. Газовые гидраты в природных условиях. М.: Недра. 236 с.

Лобковский Л. И., Рамазанов М. М. 2017. Математическая модель осесимметричного квази­стационарного тепломассопереноса в газогидратном пласте // Известия РАН. Механика жидкости и газа. № 4. С. 85–96. https://doi.org/10.7868/S0568528117040089

Мусакаев Н. Г., Хасанов М. К., Бородин С. Л., Бельских Д. С. 2018. Численное исследование процесса разложения гидрата метана при закачке теплого газа в гидратонасыщенную залежь // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. № 56. С. 88–101. https://doi.org/10.17223/19988621/56/8

Мусакаев Н. Г., Бельских Д. С. 2021. Численное исследование процесса разложения газового гидрата при тепловом воздействии на гидратосодержащую область пористого пласта // Ученые записки Казанского университета. Серия: Физико-математические науки. Том 163. № 2. С. 153–166. https://doi.org/10.26907/2541-7746.2021.2.153-166

Нигматулин Р. И. 1987. Динамика многофазных сред: в 2 ч. Часть 1. М.: Наука. 464 с.

Шагапов В. Ш., Мусакаев Н. Г. 2016. Динамика образования и разложения гидратов в системах добычи, транспортировки и хранения газа. М.: Наука. 238 с.

Шагапов В. Ш., Чиглинцева А. С., Русинов А. А. 2016. Теоретическое моделирование процесса извлечения газа из пористого газогидратного пласта, частично насыщенного газом, с учетом теплового взаимодействия с окружающими породами // Теоретические основы химической технологии. Том 50. № 4. С. 452–462. https://doi.org/10.7868/S004035711604014X

Шарафутдинов Р. Ф., Давлетшин Ф. Ф. 2021а. Аналитическая модель нестационарного температурного поля в пласте с трещиной гидроразрыва // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. Том 7. № 2 (26). С. 75–94. https://doi.org/10.21684/2411-7978-2021-7-2-75-94

Шарафутдинов Р. Ф., Давлетшин Ф. Ф. 2021б. Численное исследование неизотермической фильтрации сжимаемого флюида в низкопроницаемом пласте с трещиной гидроразрыва // Прикладная механика и техническая физика. Том 62. № 2. С. 160–173. https://doi.org/10.15372/PMTF20210216

Ahmadi G., Ji Ch., Smith H. D. 2004. Numerical solution for natural gas production from methane hydrate dissociation // Journal of Petroleum Science and Engineering. Vol. 41. No. 4. Pp. 269–285. https://doi.org/10.1016/j.profnurs.2003.09.004

Davletshina M. R., Stolpovskii M. V., Solovev D. B. 2019. Decomposition of methane hydrate with heat exposure // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Vol. 272. No. 3. Article 032239. https://doi.org/10.1088/1755-1315/272/3/032239

Hancock S. H., Collett T. S., Dallimore S. R., Satoh T., Inoue T., Huenges E., Henninges J., Weatherill B. 2005. Overview of thermal-stimulation production-test results for the JAPEX/JNOC/GSC et al. Mallik 5L-38 gas hydrate production research well // Scientific Results from the Mallik 2002 Gas Hydrate Production Research Well Program, Mackenzie Delta, Northwest Territories, Canada. Geological Survey of Canada / S. R. Dallimore, T. S. Collett (eds.). Bulletin 585.

Liang D., Lin D., Lu J., Liu J., Li D., Jin G., Xia Zh., Li X.-S. 2023. Numerical study on natural gas hydrate production by hot water injection combined with depressurization // SSRN. 46 p. https://doi.org/10.2139/ssrn.4417014

Liu Y., Strumendo M., Arastoopour H. 2009. Simulation of methane production from hydrates by depressurization and thermal stimulation // Industrial & Engineering Chemistry Research. Vol. 48. No. 5. Pp. 2451–2464. https://doi.org/10.1021/ie8005275

Makogon Y. F., Holditch S. A., Makogon T. Y. 2007. Natural gas-hydrates — A potential energy source for the 21st Century // Journal of Petroleum Science and Engineering. Vol. 56. No. 1–3. Pp. 14–31. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2005.10.009

Misyura S. Y., Donskoy I. G., Manakov A. Y., Morozova V. S., Strizhak P. A., Skiba S. S., Sagidullin A. K. 2021. Studying the influence of key parameters on the methane hydrate dissociation in order to improve the storage efficiency // Journal of Energy Storage. Vol. 44. Article 103288. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103288

Moridis G. J., Collett T. S., Dallimore S. R., Inoue T., Mroz T. 2005. Analysis and interpretation of the thermal test of gas hydrate dissociation in the JAPEX/JNOC/GSC et al. Mallik 5L-38 gas hydrate production research well // Scientific Results from the Mallik 2002 Gas Hydrate Production Research Well Program, Mackenzie Delta, Northwest Territories, Canada. Geological Survey of Canada / S. R. Dallimore, T. S. Collett (eds.). Bulletin 585.

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

Musakaev N. G., Belskikh D. S., Borodin S. L. 2021. Mathematical model and method for sol­ving the problem of non-isothermal gas and liquid filtration flow during dissociation of gas hydrates // Lobachevskii Journal of Mathematics. Vol. 42. No. 9. Pp. 2198–2204. https://doi.org/10.1134/S1995080221090225

Sloan E. D., Koh C. A. 2007. Clathrate Hydrates of Natural Gases. 3rd ed. Boca Raton: CRC Press. 752 p. https://doi.org/10.1201/9781420008494

Xu W., Ruppel C. 1999. Predicting the occurrence, distribution, and evolution of methane gas hydrate in porous marine sediments // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. Vol. 104. No. B3. Pp. 5081–5095. https://doi.org/10.1029/1998JB900092