Математическое моделирование процесса нагнетания газа в сплошной пласт в условиях гидратообразования

ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР РАБОТ, ПОСВЯЩЕННЫХ ИЗУЧЕНИЮ СВОЙСТВ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ И ИХ ОБРАЗОВАНИЯ В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ 5
1.1. Сведения о газогидратах 5
1.2. Обзор работ, посвященных процессам образования гидрата в пористых средах 11
1.3. Кинетика гидратообразования 24
Выводы по главе 1 29
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГНЕТАНИЯ ГАЗА В СПЛОШНОЙ ПЛАСТ В УСЛОВИЯХ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ 31
2.1. Постановка задачи 31
2.2 Алгоритм решения задачи 35
2.3. Результаты расчетов 38
Выводы по главе 2 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 50
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 55
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Листинг программы (в пакете Mathcad) 56

Весь текст будет доступен после покупки

Актуальность темы исследования обусловлена тем, что в настоящее время человечество столкнулось с проблемой нехватки природных энергетических ресурсов в силу их быстрого истощения. Традиционные ресурсы энергии, такие как нефть, природный газ, каменный уголь ограничены и распределены неравномерно. В связи с ростом населения Земли, числа городов, промышленности растет и потребление энергии. Таким образом, в настоящее время остро стоит вопрос о поиске и эффективном использовании альтернативных источников энергии. Одним из них и являются природные газовые гидраты, запасы которых в значительной степени превосходят запасы природного газа. Интерес к изучению процесса образования газовых гидратов в пористых структурах возникает в связи с тем, что газогидраты можно использовать для хранения и транспортировки газа в гидратном состоянии. Самым распространенным природным газом – гидратообразователем является метан. Известно, что содержание метана в природных газовых гидратах достаточно высоко. При определенных условиях из одного кубометра гидрата можно получить более 160 м3 метана в свободном состоянии. Для содержания газа в гидратном состоянии в 1 м3 требуются более низкие давления, чем для содержания этого же количества газа в свободном состоянии.
Таким образом, рассматриваемая тема исследования «Математическое моделирование процесса нагнетания газа в сплошной пласт в условиях гидратообразования» на сегодняшний день является весьма актуальной и представляет широкий интерес.

Весь текст будет доступен после покупки

1.1. Сведения о газогидратах

Впервые гидраты газов наблюдали ещё в конце XVIII века. Дж. Пристли в 1778 году при барботаже сернистого газа через воду при температуре, близкой к 0 и атмосферном давлении впервые получил гидрат. Описывая полученные кристаллы, Дж. Пристли не назвал их гидратами.
Английский химик X. Дэви в 1810 году при тех же самых условиях, в стеклянной колбе, пропуская воду через хлор, получил гидрат хлора и он первый назвал полученные кристаллы гидратом.
Позднее, в 1823 г. Фарадей выполнил первые анализы состава гидрата хлора. В период между двадцатыми и восьмидесятыми годами XIX века исследования гидратов газов почти не проводились, газогидратные соединения были забыты на долгие десятилетия. Их исследование и изучение возобновилось лишь в восьмидесятых годах.
В течение пяти десятилетий были получены гидраты большинства индивидуальных газов и некоторых смесей. Кроме того, за этот период были проведены исследования зависимости образования газовых гидратов от давления и температуры, приближенно был определен состав гидратов, построены фазовые диаграммы. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались с учетом достижений термодинамики того времени. Однако, все исследования гидратов газов, которые были выполнены в течение 120 лет вплоть до начала тридцатых годов XX в. носили только академический характер. В то время гидраты газов не находили никакого практического применения, так как они не использовались в промышленности и не мешали технологическим процессам. И только в тридцатых годах перед исследователями возникла задача серьезного изучения гидратов газов в связи с бурно развивающейся газодобывающей промышленности, в первую очередь с целью разработки методов предупреждения образования и скопления газовых гидратов в трубопроводах и аппаратах при добыче и транспорте газа. В связи с этим в 1934 г. Гаммершмидт опубликовал результаты обследования газопроводов США. Исходя из своих исследований, он сделал вывод, что работа этих газопроводах в зимнее время осложнялась из – за формирования пробок. Имелось предположение, что ледяные пробки образуются из конденсатной воды. Таким образом, оопираясь на свои лабораторные исследования, Гаммершмидт показал, что твердые пробки состоят не из льда, а из гидрата транспортируемого газа. После чего интерес к газогидратам резко возрос.
Гидраты газов представляют собой твердые растворы, где растворителем является вода, молекулы которой за счет водородной связи образуют объемный каркас, в полости которого внедряются легкоподвижные молекулы газов. В зависимости от формы и размера молекул газа, которые находятся в контакте с водой, молекулы воды образуют каркас определенной структуры, степень заполнения которого газом определяется внешним давлением и температурой [Макагон, 1972].
Важным этапом в истории исследований газогидратов явилась работа акад. Никитина (1936 г.), в которой он показал структуру газовых гидратов, а именно, что газогидраты являются клатратными соединениями, в которых молекулы газа заключены в отдель¬ные ячейки, образованные молекулами воды за счет водородной связи.
Все нам известные газы образуют кристаллогидраты при определенных давлениях и температурах. Структура этих кристаллогидратов зависит от состава газа, давления и температуры. Известно, что гидраты могут стабильно существовать в широком диапазоне давлений и температур, к примеру, гидрат метана существует при давлениях от до МРа и температурах от 70 до 350 K.
Некоторые свойства гидратов уникальны. Например, один объем воды при переходе в гидратное состояние связывает 207 объемов метана. При этом ее удельный объем возрастает на 26% (при замерзании воды ее удельный объем возрастает на 9%). 1 гидрата метана при р=26 атм и Т=0 °С содержит 164 объема газа . При этом на долю газа приходится 0,2 , на воду 0,8 . Удельный объем метана в гидрате соответствует давлению порядка 1400 атм. [Макагон, 1972].
Теплофизические свойства пород, содержащих гидраты изучены слабо в отличие от чистых газогидратных образований. Первое исследование теплофизических свойств гидратосодержащих пород было выполнено А.Г. Гройсманом в 1985г. Он изучал теплофизические свойства песчаников, которые насыщались газовыми гидратами, а для сравнения автор привел данные по свойствам песчаника в мерзлом и талом состояниях. При этом коэффициент теплопроводности песчаников, насыщенных газогидратами, оказался примерно на 70 % меньше коэффициента теплопроводности мерзлой породы [Гройсман, 1985].
Следует отметить, что гидраты обладают высокими электросопротивлением и акустической проводимостью, что позволило создать эффективные средства их поисков и разведки. Они почти непроницаемы для воды и газа, что способствовало сохранности углеводородов в недрах земли в течение времени. Очевидно, что образование газогидратов происходит с выделением, а разложение с поглощением тепла.
Акустические свойства гидратосодержащих пород исследовались как в лабораторных условиях, так и в процессе морских работ по изучению гидратов. Был установлен факт повышения скорости прохождения продольной волны после перехода поровой влаги в гидратное состояние по сравнению с газо– или водонасыщенной породой. Скорость продольной волны в гидратосодержащих породах составляет по данным различных исследователей от 2 км/с (Дж. Брайан, 1974 г.) до 5,27 км/с (М. Мэтьюз, Вон Хюен, 1985 г.). Исходя из экспериментальных и полевых геофизических исследований, было установлено, что в гидратосодержащих породах происходит резкое возрастание удельного электросопротивления по сравнению с водо– и газонасыщенными породами [Макагон, 1972]. Наиболее полно и детально акустические свойства гидратосодержащих пород были изучены в работе В. Г. Смирнова и его соавторов [Смирнов, 2014].

Весь текст будет доступен после покупки

1. Безносиков, А.Ф. Термодинамические исследования Мессояхского месторождения / А.Ф. Безносиков // Нефть и газ Тюмени. – 1970. – № 8. – С. 40 – 43.
2. Белова, С.В. Задача о вытеснении газа из гидратного массива / С.В. Белова, О.В. Дударева, А.С. Чиглинцева // В сборнике: Физика конденсированного состояния и ее приложения. Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции. – 2018. – С. 15-17.
3. Белова, С.В. Математическое моделирование процесса полного перехода снега в гидратное состояние при инжекции газа / С.В. Белова, А.С. Чиглинцева // В книге: VIII международная конференция по математическому моделированию. Тезисы докладов. – 2017. – С. 127.
4. Белова, С.В. Моделирование процесса извлечения метана из гидратного массива закачкой диоксида углерода / С.В. Белова, О.В. Дударева, А.С. Чиглинцева // В сборнике: XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Сборник трудов в 4-х томах. – 2019. – С. 969-971.
5. Булейко, В.М. Экспериментальное исследование термодинамических свойств гидратов углеводородов алканового ряда / В.М. Булейко // Научно-технический сборник вести газовой науки. –2012. – С. 282 – 298.
6. Васильев, В.Г. Залежи твердого газа / В.Г. Васильев // Докл. на 12– ом Международном газовом конгрессе. – М., «Мир», 1973. – C. 1–12.
7. Гималтдинов, И.К. О горении гидрата в замкнутом объеме / И.К. Гималтдинов, И.М. Баянов, М.В. Столповский, А.С. Чиглинцева // Инженерно-физический журнал. – 2022. – Т. 95. – № 3. – С. 605-613.

Весь текст будет доступен после покупки