Особенности всплытия газовых пузырьков в воде в условиях стабильности гидрата и процесса извлечения газа из гидратных пластов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

, \

,/ /

/ V . (

РУСИНОВ Алексей Александрович

ОСОБЕННОСТИ ВСПЛЫТИЯ ГАЗОВЫХ ПУЗЫРЬКОВ В ВОДЕ В УСЛОВИЯХ СТАБИЛЬНОСТИ ГИДРАТА И ПРОЦЕССА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГАЗА ИЗ ГИДРАТНЫХ ПЛАСТОВ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005567705 ? ? а пп

I г АПР 2015

Уфа-2015

005567705

Работа выполнена в Бирском филиале Башкирского государственного университета

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Шагалов Владислав Шайхулагзамович

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук Чнглинцева Ангелина Сергеевна

Чернов Андрей Александрович

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Института теплофизики им.С.С.Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск

Шагиев Рустам Гиндуллович

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ГАНУ «Институт нефтегазовых технологий и новых материалов АН РБ», г.Уфа

Ведущая организация:

Тюменский филиал Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН, г. Тюмень

Защита состоится «14» мая 2015 г. в 1411'1 часов на заседании диссертационного совета Д.212.013.09 при Башкирском государственном университете по адресу: 450076, г. Уфа, ул. 3. Валиди, 32, ауд. 216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Башкирского государственного университета www.bashedu.ru/dissovets.

Автореферат разослан « апреля 2015 г.

Ученый секретарь , /"'

диссертационного совета, , ^/О /

д.т.н., профессор / Ковалева Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Открытие природных газогидратов, вызвало огромный интерес исследователей всего мира к газогидратной тематике, в частности к гидратам углеводородных газов (метана). Существование гидратов доказано на морских глубинах и в залежах Земли. Они, с одной стороны, представляют собой уникальное сырьё для получения, как легких углеводородных источников энергии, так и экологически чистой пресной воды. С другой стороны, в гидратном состоянии можно хранить газ, создавая в естественных условиях, например в подземных залежах, хранилища, в которых будет законсервирован газ достаточно больших объемов, чем в резервуарах с «чистым» газом. В дальнейшем, по мере необходимости, можно производить разработку таких резервуаров. В связи с этим, возникает потребность в создании технологий по извлечению газа из

газогидратиых пластов.

Как известно метан является парниковым газом. Одним из источников которого, согласно акустическим исследованиям, являются спонтанные выбросы' газовых пузырьков с поверхности дна океана. Миграция таких пузырьков сопровождается в водной колонне сменой различных стадий. Из экспериментальных данных следует, что миграция газовых пузырьков в зоне стабильности гидрата, сопровождается образованием гидратной оболочки на их поверхности. Далее, по мере всплытия частиц, выходя из зоны стабильности гидрата, происходит разрушение гидратной оболочки, и, приближаясь к поверхности океана, газ попадает в атмосферу. Однако, картины процесса образования таких гидратных частиц весьма разнообразны. Существует достаточно большое количество различных экспериментальных данных по всплытию газовых пузырьков в воде в условиях стабильности гидрата. В одних опытах наблюдается быстрый рост гидратной оболочки на поверхности пузырьков, в других - достаточно медленный темп. Все это объясняется тем, что скорость образования гидратной корки зависит от различных факторов: начальных условий всплытия пузырьков, качества и состояния воды, «чистоты» гидратообразующего газа, а также наличия примесных частиц, солей и капилярных добавок в воде. С точки зрения практики, можно организовать сбор таких дисперсных частиц в условиях стабильности гидрата с последующей их транспортировкой, тем самым предотвращая попадания газа в атмосферу.

Поэтому решения задач, направленных на исследования таких явлений являются достаточно актуальными, осложненными многообразием и влиянием различных факторов и параметров.

Целью диссертационной работы является теоретическое исследование особенностей процессов миграции газовых пузырьков в воде в

условиях стабильности гидрата, а также извлечении газа из гидратных пластов.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

- исследование и развитие теории образования газогидратных частиц при их всплытии в стоячей воде и трубчатом реакторе в условиях стабильности гидрата;

- выявление особенностей кинетики и механизмов образования гидрата;

-определение особенностей процесса разложения газогидратных пластов за счет использования геотермального тепла самого пласта и частично, отбором тепла из окружающих газогидратный пласт горных пород;

- определение оптимальных режимов эксплуатации газогидратных залежей, обеспечивающих наиболее полный отбор газа при минимальных затратах тепла и времени.

Методы исследования. Для получения научных результатов в диссертационной работе были использованы методы и подходы, применяемые в области механики многофазных сред. Моделирование исследуемых процессов выполнялось с помощью программного обеспечения Pascal, а также прикладного пакета MathCad.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Математические модели процесса всплытия газовых пузырьков в стоячей воде и в трубчатом реакторе в условиях стабильности гидратов для двух предельных механизмов, определяющих кинетику гидратобразования: скорость образования гидратной корки на поверхности пузырька лимитируется интенсивностью отвода тепла, выделяющегося в процессе гидратообразования, окружающей жидкостью или диффузией газа через гидратную корку. Установлено, что схема, когда скорость образования гидрата определяется интенсивностью отвода тепла жидкостью, является предельной, реализующей наибольший темп образования гидрата, в отличие от диффузионной схемы.

2. Результаты моделирования влияния различных параметров (глубины и мощности газового источника, а также начального массового расхода воды, исходного радиуса газовых пузырьков, и радиуса трубчатого реактора) на интенсивность процесса гидратообразования. Условия, при которых происходит полный или частичный переход газа в гидратное состояние в трубчатом реакторе.

3. Теоретическая модель процесса полного извлечения газа из газогидратной залежи, за счет использования геотермального тепла самого пласта и частично, отбором тепла из окружающих газогидратный пласт горных пород.

4. Результаты моделирования влияния параметров, определяющих исходное состояние газогидратного пласта на его эволюцию.

Научная новизна исследований, проведенных в работе, заключается в следующем:

1. Построены математические модели процесса всплытия газовых пузырьков в условиях стабильности гидрата в стоячей воде и в трубчатом реакторе. Выявлены два предельных механизма, определяющие скорость образования гидратных частиц в условиях стабильности гидрата. Установлено, что схема, когда скорость образования гидратных частиц лимитируется интенсивностью отвода тепла, выделяющегося в процессе гидратообразования, окружающей водой, определяет наибольший темп гидратообразования, чем в случае диффузии метана к внешней поверхности газогидратной частицы.

2. Выявлено, что процесс гидратообразования зависит от массового расхода воды, поступающей в реактор, мощности и глубины газового потока. Установлено, что в зависимости от соотношения между исходной плотностью газа и средней плотностью газа в составе гидрата конечный радиус гидратных частиц может быть больше или наоборот меньше начальных радиусов газовых пузырьков. Выявлены условия, при которых происходит полный или частичный переход газа в гидратное состояние в трубчатом реакторе.

3. Построена теоретическая модель разработки газогидратного пласта и проанализирована принципиальная возможность полного извлечения газа, находящегося в составе гидрата, за счет тепловых резервов самих пластов и окружающих его горных пород. Показано влияние параметров, определяющих исходное состояние газогидратного пласта на время его эксплуатации, соответствующее полному разложению гидрата, когда активное извлечение газа чередуется последующей консервацией залежи. Получено, что за счет надлежащего подбора периода элементов цикла и интенсивности отбора, можно сократить общее время разработки газогидратной залежи на десятки лет.

Обоснованность и достоверность результатов работы следует из корректной постановки задач, применения при разработке математических моделей фундаментальных уравнений механики многофазных сред, получения решений, не противоречащих общим термодинамическим представлениям и находящихся в соответствии с результатами, полученными другими исследователями.

Практическая значимость. Полученные результаты позволяют расширить теоретические основы особенностей процесса всплытия газовых пузырьков в условиях стабильности гидрата, которые могут быть использованы при создании технологий сбора, транспортировки и хранения гидратных частиц, тем самым предотвращая попадания газа в атмосферу.

Кроме того, расширяют теоретические представления, связанные с выявлением основных закономерностей извлечения газа из гидратных пластов, которые необходимы для планирования, прогнозирования и проведения комплекса геолого-технологических мероприятий для определения наиболее эффективных режимов функционирования газогидратных залежей с целью сокращения общего времени их эксплуатации.

Апробация работы. Основные вопросы диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Прикладная информатика и компьютерное моделирование» (Уфа, 2012), Пятой Российской конференции с международным участием «Многофазные системы: теория и приложения» (Уфа, 2012), Восьмой Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов, студентов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2013), Всероссийской мол одежной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки и образования» (Уфа, 2013), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы науки и образования в техническом вузе» (Стерлитамак, 2013), Международной научной конференции «Дифференциальные уравнения и смежные проблемы» (Стерлитамак, 2013), Международной школе-конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании» (Уфа, 2013), VII Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2013), Российской конференции «Газовые гидраты в экосистеме Земли 2014» (Новосибирск, 2014), Summer workshop «Dynamics of dispersed systems» (Уфа, 2014), Международной школе-конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании» (Уфа, 2014), на научном семинаре кафедры разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений Уфимского государственного нефтяного технического университета (научный руководитель - доктор технических наук, профессор Пономарев А.И.) и на семинарах Проблемной лаборатории математического моделирования и механики сплошных сред под руководством доктора физико-математических наук, профессора С.М. Усманова и доктора физико-математических наук, академика АН РБ В.Ш. Шагапова.

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации изложены в 18 статьях, опубликованных в журналах и научных сборниках, из них 3 в издании из списка, рекомендованного ВАК, 1 — в изданиях, относящихся к Scopus (приравнивается к журналам, рекомендованных ВАК).

Благодарность. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю, д.ф.-м.н. Шагапову Владиславу Шайхулагзамовичу за ценные советы и постоянное внимание к работе. Особую благодарность

автор выражает к.ф-м.н., доценту Чиглинцевой Ангелине Сергеевне за помощь и поддержку на всех этапах исследований.

Результаты исследований, представленных в диссертации, проводились при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований №13-01-00550 А «Теоретические основы добычи, транспортировки и хранения энергоносителей из нетрадиционных

источников углеводородов».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 132 страницы. Работа содержит 34 рисунка. Список литературы содержит 127 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной научной работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены научные результаты, выносимые на защиту, указана их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведены краткие сведения о газовых гидратах, их физико-химические и тешгофизические свойства, а также кинетике гидратообразования. Приведен краткий обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению процесса образования гидратной корки на поверхности газовых пузырьков, всплывающих вводе, в условиях стабильности гидрата (Макогон Ю.Ф., Истомин В.А., Нестеров А.Н., Якушев B.C., Слоан Е.Д., Гройсман А.Г., Rehder G., Нигматулин Р.И., Егоров A.B., McGinnis D.F. и др.), а также описанию методов и способов по извлечению газа из газогидратных резервуаров и разложения газового гидрата в пористых пластах (Макогон Ю.Ф., Басниев К.С., Саяхов Ф.Л.,

Бондарев Э.А., Хабибуллин И.Л. и др).

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию процесса всплытия газогидратных частиц в стоячей воде. Рассмотрены два предельных механизма образования гидрата, согласно которым скорость его образования определяется отводом тепла, выделяющегося в процессе гидратообразования, окружающей жидкостью и диффузией газа через гидратную корку.

В п.2.1 сформулирована математическая модель процесса миграции систем газовых пузырьков в открытой воде в условиях образования гидрата.

Дроблением и слипанием газогидратных частиц в данной модели

пренебрегается, тогда уравнение сохранения их числа имеет вид

дп önw — + -— = 0, dt dz

n - число сферических включений в единице объёма, состоящих из газового ядра и гидратной корки, w - скорость всплытия частиц.

Уравнения сохранения масс для газогидратных пузырьков и несущей воды имеют вид

-1--1----= 1/, ,--1--= —пц.,

д1 дг ' д! &

где \\) - скорость воды; Jh и Jl - интенсивности образования гидрата и

расхода воды, идущей на его образование, а^, = 4/3ла^п - объемное

содержание пузырьков; — средняя плотность газогидратного пузырька,

аеН — радиус газогидратного пузырька.

Уравнения импульсов для газогидратных пузырьков и для жидкости в безынерционном приближении соответственно записываются как

где / = 2 - сила трения между пузырьком и водой.

Уравнение для изменения температуры жидкости определяется

где (¿^Апа2^ и — потоки тепла от одного включения и с единицы площади его внешней поверхности.

Жидкость считается несжимаемой, а газ - калорически совершенным. В п.2.2 рассматривается схема гидратообразования, когда скорость образования гидрата при контакте газа и воды полностью лимитируется интенсивностью отвода тепла, выделившегося при гидратообразовании, окружающей водой. В данном случае считается, что гидратная корка является достаточно рыхлой из-за качества воды и газа. Полагается, что температура газогидратного пузырька прослеживает за равновесной температурой фазовых переходов системы газ - вода - гидрат для текущего значения гидростатического давления. В соответствие с этим интенсивность гидратообразования определяется как

Л = бА,

/Л - удельная теплота образования гидрата, а интенсивность потока тепла определяется как д=р(7^-7)), Т,т -температура на поверхности пузырька.

В п.2.3 рассматривается схема образования гидрата, когда интенсивность гидратообразования лимитируется диффузией газа через гидратную корку. Полагается, что температура пузырька полностью прослеживает за температурой окружающей воды, а прочностными

эффектами гидратной корки пренебрегается. В соответствие с этим интенсивность гидратообразования определяется как

Л = .

где jh =D'p"slG(\l а^ -М ash)a2gk - интенсивность гидратообразования,

отнесенная на единицу площади поверхности газогидратного пузырька, аг -

радиус газового ядра, D' - приведенный коэффициент диффузии.

В п. 2.4 приведено выражение для определения величины скорости миграции пузырька относительно жидкости_

W = {l-agh)g{l-p°Jp4)/9 +144v)/alh -12v,/as„

В п.2.5 система основных уравнений, описывающих данную модель, приведена к виду, удобному для численного расчёта.

В п.2.6 для системы дифференциальных уравнений из п.2.5 приведена конечно-разностная схема.

В п.2.7 представлен сравнительный анализ построенной модели в случае диффузионной схемы с экспериментальными данными, представленными в работе McGinnis D.F., Greinert J., Artemov Y„ Beaubien S. «Fate of rising methane bubbles in stratified waters: How much methane reaches the atmosphere?». Выявлено, что наилучшее совпадение результатов теоретической модели с опытными данными происходит при коэффициенте

D' =5-10"'"м2/с

0.0054 -

{

I

Г::- * \i.....Л

А;

'L.

k

I__

J, . H> >ir.V

Рис. 1. Эволюция полей: а)-объёмного содержания газа (линия 1) и гидрата (линия 2) в составе пузырьков, газогидратных частиц (линия 3) в момент времени 1000 с, б) - радиуса газогидратных пузырей, в) - скорости миграции, г) — интенсивности гидратообразования в случае теплосъема. Числа на кривых соответствуют времени в секундах.

В п. 2.8 представлены результаты расчётов для двух различных схем интенсивности гидратообразования, когда начальные значения объёмное содержание газовых пузырьков и их начальные радиусы принимались равными соответственно агЛ0 = 10~3 , = 1(Г3 м, а глубина всплытия

составляла 1800 м.

На рис.1 представлена эволюция полей объёмного содержания и радиуса газогидратных пузырей, скорости их миграции и интенсивности гидратообразования в случае схемы теплосъёма. Для характерных скоростей миграции газовых пузырьков и для гидратных частиц имеем: н>0 =0,2 м/с и и;, = 0.06 м/с, т.е. снижения скоростей всплытия газогидратных включений уменьшается более чем в три раза. Из графиков следует, что снижение скорости всплытия, в свою очередь, приводит к увеличению объемного содержания дисперсной фазы (более трех раз). Поток метановых пузырьков в воде при термобарических условиях образования гидрата за счет выделения тепла при гидратообразовании является своеобразным теплоносителем. Причем, при таком барботаже пузырьков температура воды не может стать выше, чем равновесная температура, иначе не выполняется термобарические условия гидратообразования.

(У.СС5 О.эсз 0.С03-О.ОС2 С "

2С 30 ,'0 75 > ^

30 73

э сс с с* с ;*! ач

Рис. 2. Эволюция полей: а) - объёмного содержания газа (линия 1) и гидрата (линия 2) в составе пузырьков, газогидратных частиц (линия 3) в момент времени 1000 с, б) - радиуса газогидратных пузырей, в) - скорости миграции, г) - интенсивности гидратообразования в случае диффузионной схемы. Числа на кривых соответствуют времени в секундах.

На рис. 2. представлена эволюция полей объёмных содержаний газогидратных частиц, газовой и гиратной фаз, радиуса газогидратных пузырей, скорости их миграции и интенсивности гидратообразования в случае, диффузионной схемы. Как и в случае, когда интенсивность

гидратообразования определяется съемом тепла с поверхности пузырьков жидкостью, при данном механизме процесс перехода газовых пузырьков в гидратное состояние происходит аналогичным образом. Отличие состоит в том, что здесь скорость гидратообразования несколько ниже, и газогидратные пузырьки поднимаются на большую высоту (порядка 30 м), прежде чем они перейдут полностью в гидрат.

Третья глава посвящена теоретическому исследованию процесса миграции газошдратных частиц в трубчатом реакторе. Рассмотрены два предельных механизма образования гидрата, согласно которым скорость его образования определяется отводом тепла, выделяющегося в процессе гидратообразования, окружающей жидкостью и диффузией газа через гидратную корку.

В п.3.1 построена математическая модель миграции газогидратных частиц в трубчатом реакторе. Дроблением и слипанием газогидратных частиц в модели пренебрегается, тогда уравнение сохранения их числа имеет вид

где 5 - площадь сечения канала.

Уравнения сохранения масс соответственно для газа, воды и гидрата, при этом будем полагать в виде

¿/А/ с1М, Т с1М, о

еЬ х с1г ¿.г

где М,., р",а ,и;(/ = £,/, А) - массовые расходы, истинные плотности,

объемные содержания и скорости фаз; Л - интенсивности расхода

газа, воды и образования гидрата.

Уравнение импульсов для трехфазного потока в рамках вышеприведенных допущений может быть записано в виде

— (М,и>, + [М5 + М„) ) = ^-(<х,р? + а, р° + )-2ттДтс ¿2 ^

Уравнение миграции для газового пузырька относительно жидкости, которое будет иметь вид

(I I \ 4 з ¿р 2 ^ I \

"V = \

где т , т - соответственно масса пузырька и присоединенная масса.

" ' рт

Уравнение баланса тепла без учёта потерь тепла через стенки канала принимает вид:

и*.

В п.3.2 описано силовое взаимодействие потока со стенками канала и гидратным пузырьком.

В п. 3.3 и 3.4 рассматриваются две схемы образования гидрата, когда его интенсивность определяется аналогичным образом, как и в п.2.2 и 2.3 соответственно.

В п.3.5 система основных уравнений, описывающих данную модель, приведена к виду, удобному для численного расчёта.

В п.3.6 для системы дифференциальных уравнений из п.3.5 приведена конечно-разностная схема.

В п. 3.7 представлены результаты расчётов для двух различных схем интенсивности гидратообразования, когда источник газа был расположен на глубине Л = 1500 м. Принимались следующие численные величины для параметров: Я = 1 м, а^ =1 мм, М10 = 100 кг/с, I кг/с, Тю=211 К,

р = 15 ■ 106 Па.

Рис. 3. Распределения массовых расходов (а): I - гидрата и 2 - газа; скоростей (б): /— газовых пузырьков и 2 - воды; температуры воды вдоль канала (в); радиусов (г): 1 - газогидратного и 2- газового пузырька при полном образовании гидрата в случае отвода тепла от поверхности пузырьков жидкостью.

На рис. 3 представлены распределения массовых расходов газа и гидрата, скоростей газовых пузырьков и воды, температуры воды вдоль

канала, а также радиусов газового и гидратного пузырька, когда интенсивность образования гидратной частицы лимитируется отводом тепла от поверхности пузырьков жидкостью Из рис. 3, а) и г) видно, что процесс гидратообразования заканчивается, т. е. газ в пузырьке полностью переходит в гидратное состояние, на высоте порядка 0,5 м. При этом температура воды в канале не достигает равновесной температуры образования гидрата, что проиллюстрировано на рис. 3, в).

На рис. 4 представлены распределения массовых расходов газа и гидрата, скоростей газовых пузырьков и воды, температуры воды вдоль канала, а также радиусов газового и гидратного пузырька, когда интенсивность образования гидратных пузырьков лимитируется диффузией газа через гидратную корку. Процесс гидратообразования заканчивается, когда газ в пузырьке полностью переходит в гидратное состояние (рис. 4, а) и г)), а температура воды в канале не достигает равновесной температуры образования гидрата (рис. 4, в)). При этом высота, на которой завершается образование гидрата, составляет порядка 40 м.

радиусов (г): I- газогидратного и 2- газового пузырька при полном образовании гидрата.

В п. 3.8 выявлено, что при фиксированной мощности газового источника, в зависимости от массового расхода воды возможны три режима протекания процесса гидратообразования газовых пузырьков при миграции их в трубчатом реакторе: 1) полный их переход их в гидратное состояние, при этом температура воды в канале не достигает равновесной температуры образования гидрата; 2) частичный переход пузырьков в гидратное состояние,

при этом температура воды в канале достигает равновесной; 3) газовые пузырьки полностью превращаются в гидратные частицы, и температура воды в канале достигает равновесной. Это говорит о том, что существует некоторый критический расход воды, относительно которого эти условия выполняются.

Рис. 5. Зависимость длины реактора от начального массового расхода воды при различной глубине источника газа: 1 - р = 15 МПа , 2 — р — 10 МПа , 3 -р =8 МПа в случае : а) теплосъема, б) диффузии газа.

На рис. 5 представлена зависимость влияния начального массового расхода воды на длину реактора при различных значениях глубины функционирования газового источника для двух случаев, когда процесс гидратообразования лимитируется а) отводом тепла, б) диффузией газа через гидратную корку. Установлено, что чем глубже расположен источник, тем критический расход воды меньше. Выявлено, что при начальном расходе воды меньшим критического (на графиках левее пика), происходит частичный переход газовых пузырьков в гидратное состояние, а при большем (на графиках правее пика) - полный переход в гидратную фазу.

Четвертая глава посвящена теоретическому моделированию разработки газогидратного пласта.

В п.4.1 построена математическая модель разработки газогидратного пласта с целью полного извлечения газа, находящегося в составе гидрата, за счет тепловых резервов самих пластов и окружающих его горных пород.

Согласно геологическим данным радиусы Л месторождений обычно составляют порядка десятка километров, а их толщина Н— несколько десятка метров. Это обстоятельство позволяет учесть тепловые взаимодействия газогидратного пласта с окружающими породами через верхнюю и нижнюю границы пласта в плоскоодномерном приближении. Гидратонасыщенность по всей толщине пласта считается однородной. Кроме того, вертикальным температурным градиентом в пределах пласта, а также в окружающих пласт породах к началу эксплуатации пласта пренебрегается и, тем самым,

начальная температура Т0 пласта и окружающих горных пород считается однородной.

Уравнения сохранения масс газа и воды в пласте:

= ^ = 0 л * ' Л ■

где Л/ - общая масса запаса газа в пласте, ' - общий массовый расход

отбора газа из залежи, 5,, - гидратонасыщенность, - газонасыщенность,

т - пористость пласта.

В рамках принятой модели запишем уравнения баланса тепла как:

я^Ярс — = тЯгНтр\1к ^ + 2лДУ" , Л Л

где (у'г) _ тепловой поток с единицы площади поверхности пласта, рс -теплоемкость единицы объема горной породы, Т' - температура пород.

Для определения теплового потока на пласт от окружающего горного массива, запишем уравнение для описания температурных полей вблизи границы пласта в плоскоодномерном приближении как

дТ' , д2Т' ,

р с-= Х——, (2>0).

61

В п.4.2 система основных уравнений, описывающих данную модель, приведена к виду, удобному для численного расчёта.

В п. 4.3 представлены результаты расчётов. Проводились численные эксперименты со следующими характерными линейными размерами, а также значениями параметров, определяющих начальное состояние пласта: Я = 7500 м, Я =40 м, т = 0.25 , 5М1 = 0.4, рк=1А МПа, То = (р0) = 283.6 К. Были подсчитаны запасы газа в гидратном пласте,

которые составляют порядка составляет = 1,3 108 т.

Отбор газа, до достижения пластового давления и температуры гидратного пласта величин р = 2.6 МПа и Т = 273 К , производился в

режиме постоянного массового расхода при (З1™' = 1,3 -107 т/год.

На рис. 6 представлены распределения массы отбираемого газа, пластового давления, гидратонасыщенности, а также эволюция температурных полей в пласте и вокруг него. Процесс извлечения газа

производился в циклическом режиме, согласно которому его высвобождение чередуется последующей консервацией пласта. Режим постоянного отбора газа происходил до тех пор, пока температура в гидратной залежи не снизилась до значения 273 К, а консервация пласта осуществлялась на период порядка 10 лет. Таким образом, полное разложение гидрата для принятого режима происходит примерно за сорок лет. Масса извлеченного газа за это время составила порядка восьмидесяти процентов от исходного запаса газа в гидратном пласте.

Рис. 6. Эволюция массы отбираемого газа, пластового давления, гидратонасыщенности, температуры гидратного пласта и окружающего грунта (числа на кривых соответствуют времени в годах).

В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В ходе теоретических исследований, выполненных в диссертационной работе, получены следующие основные научные результаты и выводы:

1. Построена теоретическая модель процесса миграции метановых пузырьков в стоячей воде в условиях образования гидрата. Получены и проанализированы численные результаты для двух предельных механизмов, определяющие кинетику гидратобразования в процессе всплытия газовых пузырьков: скорость образования на поверхности пузырька гидратной корки определяется интенсивностью съёма окружающей жидкостью тепла, выделяющегося при образовании гидратной частицы, или диффузией газа через корку гидрата. Выявлено, что механизм образования гидрата, когда его

темп лимитируется интенсивностью отвода тепла жидкостью, является предельным, реализующий наибольший рост гидратной оболочки. Установлено, что в зависимости от соотношения между исходной плотностью газа и средней плотностью газа в составе гидрата конечный радиус гидратных частиц может быть больше или наоборот меньше начальных радиусов газовых пузырьков. В случае, когда глубина дна выше некоторого критического значения, радиус гидратной частицы будет больше радиуса исходных газовых пузырьков, а при меньших глубинах радиус гидратнои частицы меньше исходного радиуса газовых пузырьков.

2. Решена задача о всплытии метановых пузырьков в восходящем потоке воды в вертикальном канале в условиях образования гидрата. Выявлено, что процесс гидратообразования зависит от массового расхода воды поступающей в реактор и мощности газового потока. Показано, что в случае, когда темп гидратообразования определяется отводом тепла длина канала должна быть порядка нескольких метров, а для схемы диффузии газа -десятки метров.

3. Построена теоретическая модель возможной реализации полной газоотдачи газогидратных пластов только за счет тепловых резервов самих гидратных пластов, а также окружающих пласт горных массивов. Получено, что при циклическом режиме эксплуатации, когда активное извлечение газа чередуется последующей консервацией гидратной залежи, а также за счет надлежащего подбора периода элементов цикла и интенсивности отбора, можно сократить общее время разработки газогидратной залежи на десятки лет.

По теме диссертации опубликованы следующие работы В изданиях из перечня ВАК

1 Русинов A.A. Чиглинцева A.C., Шагапов В.Ш. К теории миграции метановых пузырьков в условиях образования гидрата // Вестник Самарского государственного университета. Естественно-научная секция. - 20Ъ.- №6

(107).-С. 116-125.

2 Чиглинцева A.C., Русинов A.A. Математическое моделирование процесса образования гидратной оболочки на поверхности газовых пузырьков // Вестник Башкирского государственного университета. - 2013. -

Т. 18, №3. - С. 662-667.

3 Шагапов В.Ш., Чиглинцева A.C., Русинов A.A. О миграции пузырьков в условиях образования гидрата II Прикладная механика и техническая физика. - 2015. -№2.

Работы, опубликованные в изданиях, относящихся к Scopus (приравнивается к работам в журналах, рекомендованных ВАК)

4. Chiglintseva A.S., Rusinov А.А. То the theory of process hydrating of gas bubbles in the conditions of the world ocean // Perm National Research Polytechnic University «Mechanics Bulletin». - 2013. -№1. - P. 260-275.

В других изданиях

5. Чиглинцева А.С., Русинов А.А. Миграция газовых потоков в океане, сопровождаемая образованием гидратов // Материалы IX Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2012), 25-31 мая 2012г., Алушта. -М.: Изд-во МАИ, 2012. - С. 584-586.

6. Чиглинцева А.С., Русинов А.А. Течение двухфазного потока, сопровождающегося образованием гидрата (Current of the two-phase mixture accompanied by formation of hydrate) // XXIII семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям: сборник трудов / под ред. Г.В. Кузнецова и др.; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. — С. 375-379.

7. Русинов А.А., Чиглинцева А.С. Математическое описание образования гидрата при течении многофазного потока в вертикальном канале // Труды Томского государственного университета. - Т. 282. Серия физико-математическая: Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики: Материалы IT Всероссийской молодежной научной конференции, посвященной 50-летию физико-технического факультета Томского государственного университета. — Томск: Изд-во Том. ун-та. 2012. - С. 205-208.

8. Шагапов В.Ш., Чиглинцева А.С., Русинов А.А., Тазетдинов Б.И. О динамике процесса миграции газовых пузырей в условиях гидратообразования // Materiâly IX mezinârodni vëdecko - praktickâ konference «Moderni vymozenosti vëdy — 2013». - Dil 68. Matematika: Praha. Publishing House «Education and Science». - P. 23-26.

9. Чиглинцева A.C., Русинов А.А. К теории процесса гидратообразования газовых пузырей в условиях Мирового океана // Вестник Пермского государственного технического университета. Механика. - 2013. — №1. — С, 260-273.

10. Русинов А.А. К теории процесса гидратообразования на поверхности газовых пузырьков // Наука в школе и вузе: Материалы научной конференции аспирантов и студентов. Часть I. / Под общ. ред. А.Ф. Пономарева. - Бирск: Бирск. фил. Баш. гос. Ун-та., 2013.-С. 124-126.

11. Shagapov V.Sh., Chiglintseva A.S., Rusinov A.A., Tazetdinov B.I. The mathematical model of process migration of the gas bubble accompanied by

formation and dissociation of hydrate in the conditions of the world ocean 11 Abstract volume arctic ocean acidifcation Bergen. - Norway 6-8 May, 2013. - P.37.

12. Чиглинцева A C., Русинов А.А. О процессе миграции газовых пузырьков в условиях гидратообразования // Дифференциальные уравнения и смежные проблемы: Труды международной конференции: В 2 т (26-30 июня 2013 г., г. Стерлитамак) / Отв. ред. К.Б. Сабитов. - Уфа: РИЦ БашГУ, 2013. -Т. II.-С. 157-161.

13. Чиглинцева А.С., Русинов А.А. О миграции метановых пузырьков в водах Мирового океана // VIII международной научной конференции «Современные проблемы морского транспорта», посвященной 90-летию со дня рождения общенационального лидера Гейдара Алиева Научные труды Азербайджанской Государственной Морской Академии. - БАКУ, 2013. -№1. -С. 154-159.

14. Шагапов В.Ш., Чиглинцева А.С,., Русинов А.А., Тазетдинов Б.И. Теоретические основы процесса получения газа из гидратпых соединений и разработки гидратных месторождений // «Нсньютоновские системы в нефтегазовой отрасли»: материалы Международной научной конференции, посвященной 85-летнему юбилею академика Азада Халил Оглы Мирзаджанзаде. - Баку, 2013. - С. 258-259.

15. Русинов А.А., Чиглинцева А.С., Атискова О.П. Теоретические основы разработки газогидратных месторождений // Инновационный потенциал молодежной науки: материалы Всероссийской научной конференции 8 ноября 2013 г. / под ред. А.Ф. Мустаева. - Уфа: Изд-во БГПУ, 2013.-С. 117-119.

16. Русинов А.А., Чиглинцева А.С., Сайниев В.Ф., Шепелькевич О.А. Модель процесса миграции газогидратных пузырьков в условиях гидратообразования // Программа и тезисы докладов конференции «Газовые гидраты в экосистеме Земли 2014» / Ответственный за выпуск к.х.н. Т.В. Родионова. - Новосибирск: ИНХ СО РАН, 2014. - С. 83-84.

17. Chiglinceva Angelina, Rysinov Aleksei, Shepelkevich Oleg, Sainiev Valerii. The theory of hydrate skin on the surface of gas bubbles // DOAJ - Lund University: Koncept : Scientific and Methodological e-magazine. - Lund, №4 (Collected works, Best Article), 2014. - URL: http://www.doaj.net/2156/

18. Rusinov A.A., Shagapov V.Sh., Chiglintseva A.S. Theoretical bases of formation and decomposition of hydrates in the bowels of the Earth // Summer workshop «Dynamics of dispersed systems» Book of abstracts. - Ufa, 2014. -P.37.

\

РУСИНОВ Алексей Александрович

ОСОБЕННОСТИ ВСПЛЫТИЯ ГАЗОВЫХ ПУЗЫРЬКОВ В ВОДЕ В УСЛОВИЯХ

СТАБИЛЬНОСТИ ГИДРАТА И ПРОЦЕССА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГАЗА ИЗ ГИДРАТНЫХ ПЛАСТОВ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 23.03.2015 г. Гарнитура «Times». Печать на ризографе с оригинала. Формат 60x84 у 16 . Усл.-печ.л. 1.16. Бумага писчая. Тираж 100 экз. Заказ № 59. Цена договорная.

452453, Республика Башкортостан, г. Бирск, ул. Интернациональная, 10. Бирский филиал Башкирского государственного университета Отдел множительной техники Бирского филиала БашГУ.