Математическое моделирование процесса образования гидрата в пласте насыщенного снегом при нагнетании холодного газа
Автор: Шагапов Владислав Шайхулагзамович, Чиглинцева Ангелина Сергеевна, Русинов Алексей Александрович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.9, 2016 года.
Бесплатный доступ
Рассмотрена задача нагнетания холодного газа в пласт, в исходном состоянии насыщенный снегом и газом. При построении математической модели учтено, что нагнетание сопровождается гидратообразованием, и в зависимости от исходного состояния системы «снег + газ» и интенсивности инжекции газа могут возникать следующие характерные зоны в области фильтрации: «газ + гидрат», «газ + гидрат + снег», «газ + снег». С целью выявления особенностей процесса формирования гидрата в равновесном режиме начальные параметры, задающие состояния пласта и газа, выбирались на линии фазового равновесия системы «газ + снег + гидрат». Получено уравнение пьезопроводности в автомодельных координатах, решение которого сведено к решению двух обыкновенных дифференциальных уравнений 1-го порядка. Численная реализация проводилась с использованием метода Рунге-Кутты 4-го порядка и метода стрельбы. Построены автомодельные решения, описывающие распределения основных параметров (полей давления и температуры, насыщенностей фаз) в пласте. Выведено условие, согласно которому существует минимальный нагрев системы «газ + снег + гидрат», обеспечивающий полный переход снега в гидратное состояние. Показано, что возможны режимы как полного образования гидрата в объемной области и на фронтальной поверхности, так и частичного (в зависимости от начального состояния пласта и параметров, определяющих нагнетание газа). Установлено, что чем больше начальная снегонасыщенность пласта, тем интенсивнее протекает процесс формирования гидрата и меньше протяженность прогретой зоны. Выявлено, что существует некоторое характерное значение исходной насыщенности пласта снегом, при котором в зависимости от величины нагрева системы «газ + снег + гидрат» может появиться зона, заполненная только гидратной фазой.
Газовые гидраты, нагнетание метана в пласт, холодный газ, снегонасыщенный газоносный пласт, равновесный режим, автомодельное решение, метод стрельбы
Короткий адрес: https://sciup.org/14320803
IDR: 14320803 | УДК: 533.1:519.622 | DOI: 10.7242/1999-6691/2016.9.2.15
Mathematical modeling of hydrate formation in a reservoir saturated with snow by cold gas injection
This paper considers the problem of injection of cold gas into the reservoir saturated in the initial state with snow and gas, which is accompanied by hydrate formation. The proposed mathematical model assumes that, depending on the initial state of the system “snow + gas” and the intensity of gas injection, different characteristic zones may be observed in the filtering zone “gas + hydrate”, “gas + hydrate + snow”, “gas + snow”. In order to identify the characteristics of hydrate formation in the equilibrium mode, the initial parameters reflecting the reservoir and gas conditions are chosen on the line of phase equilibrium of the system “gas + snow + hydrate”. A diffusivity equation is obtained in self-coordinates, and its solution is reduced to the solution of two ordinary differential equations of the first order. Numerical implementation is carried out using the fourth-order Runge-Kutta method and the shooting method. Similarity solutions describing the distribution of basic parameters (pressure and temperature fields, saturation of phases) in the reservoir are constructed. The condition for minimum heating of a “gas + snow + hydrate” system that provides a complete transition of snow to the hydration state is derived. It is shown that the complete hydrate formation and partial hydrate formation (depending on the initial state of the reservoir and the parameters determining gas injection) modes are possible in the volume region and on the front surface. It is also established that the greater is the initial saturation of the reservoir with snow, the more intensive is the process of hydrate formation and the smaller is the length of the heated zone. Simulations yield a characteristic value for the initial saturation of the reservoir with snow at which, depending on the value of heating the system “gas + hydrate + snow”, there may take place a zone saturated with a hydrate only.
Список литературы Математическое моделирование процесса образования гидрата в пласте насыщенного снегом при нагнетании холодного газа
- Jadhawar P., Mohammadi A.H., Yang J., Tohidi B. Subsurface carbon dioxide storage through clathrate hydrate formation//Advances in the Geological Storage of Carbon Dioxide. Nato Science Series. -2006. -Vol. 65. -P. 111-126.
- Нестеров А.Н. Кинетика и механизмы гидратообразования газов в присутствии поверхностно-активных веществ/Дисс.. д-ра хим. наук: 02.00.04. -Тюмень, Институт криосферы Земли СО РАН, 2006. -280 с.
- Макогон Ю.Ф. Гидраты природных газов. -М.: Недра, 1974. -208 с.
- Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях. -М.: Недра, 1992. -236 с.
- Sloan E.D., Koh C.A. Clathrate hydrates of natural gases. -CRC Press, Taylor & Francis group, 2008. -119 p.
- Шагапов В.Ш., Чиглинцева А.С., Русинов А.А. О миграции пузырьков в условиях образования гидрата//ПМТФ. -2015. -Т. 56, № 2. -С. 43-52.
- Любимова Т.П., Циберкин К.Б. Моделирование диссоциации зерна гидрата метана в пористой матрице//Вычисл. мех. сплош. сред. -2013. -Т. 6, № 1. -С. 119-124.
- Чувилин Е.М., Козлова Е.В. Исследования формирования мерзлых гидратосодержащих пород//Криосфера Земли. -2005. -T. IX, № 1. -С. 73-80.
- Chuvilin E.M., Kozlova E.V., Makhonina N.A., Yakushev V.S. Experimental investigation of gas hydrate and ice formation in methane saturated sediments//Proc. of the 8th Int. Conf. on Permafrost, 21-25 July, 2003, Zurich, Switzerland. -P. 145-150.
- Чувилин Е.М., Гурьева О.М. Экспериментальное изучение образования гидратов С02 в поровом пространстве промерзающих и мерзлых пород//Криосфера Земли. -2009. -Т. XIII, № 3. -С. 70-79.
- Шагапов В.Ш., Хасанов М.К., Мусакаев Н.Г. Образование газогидрата в пористом резервуаре, частично насыщенном водой, при инжекции холодного газа//ПМТФ. -2008. -Т. 49, № 3. -С. 137-150.
- Хасанов М.К., Гималтдинов И.К., Столповский М.В. Особенности образования газогидратов при нагнетании холодного газа в пористую среду, насыщенную газом и водой//ТОХТ. -2010. -Т. 44, № 4. -С. 442-449.
- Шагапов В.Ш., Хасанов М.К., Гималтдинов И.К., Столповский М.В. Численное моделирование образования газогидрата в пористой среде конечной протяженности при продувке газом//ПМТФ. -2011. -Т. 52, № 4. -С. 116-126.
- Хасанов М.К. Исследование режимов образования газогидратов в пористой среде, частично насыщенной льдом//Теплофизика и аэромеханика. -2015. -Т. 22, № 2. -С. 255-266.
- Хасанов М.К., Доровская М.С. Математическая модель инжекции холодного газа в пористую среду, частично насыщенную льдом//Фундаментальные исследования. -2014.-№ 9-4. -С. 741-746.
- Мусакаев Н.Г., Хасанов М.К. Фронтальная схема образования гидрата при нагнетании углекислого газа в насыщенный метаном и льдом пласт//XIV Всероссийский семинар «Динамика многофазных сред», приуроченный к 75-летию академика РАН Фомина В.М., Новосибирск, 2-5 ноября 2015 г. -С. 267-268.
- Цыпкин Г.Г. Математическая модель инжекции углекислого газа в пласт с образованием гидрата//ДАН. -2014. -Т. 458, № 4. -С. 422-425.
- Цыпкин Г.Г. Образование гидрата углекислого газа при его инжекции в истощенное месторождение углеводородов//МЖГ. -2014. -№ 6. -С. 101-108.
- Цыпкин Г.Г. Течения с фазовыми переходами в пористых средах. -М.: Физматлит, 2009. -232 с.
- Шагапов В.Ш., Хасанов М.К., Гималтдинов И.К., Столповский М.В. Особенности разложения газовых гидратов в пористых средах при нагнетании теплого газа//Теплофизика и аэромеханика. -2013. -Т. 20, № 3. -С. 347-354.
- Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. -М.: Наука, 1987. -Ч. 1. -464 с., Ч. 2. -360 с.
- Нурисламов О.Р., Шагапов В.Ш. Нагнетание газа во влажную пористую среду с образованием газогидрата//ПММ. -2009. -Т. 73, № 5. -С. 809-823.
- Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжик В.М. Движение жидкостей и газов в природных пластах. -М.: Недра, 1984. -208 с.
- Никифоров А.И., Садовников Р.В., Никифоров Г.А. О переносе дисперсных частиц двухфазным фильтрационным потоком//Вычисл. мех. сплош. сред. -2013. -Т. 6, № 1. -С. 47-53.
- Durham W., Stern L., Kirby S., Circone S. Rheological comparisons and structural imaging of sI and sII end-member gas hydrates and hydrate/sediment aggregates//Proceedings of the 5th International Conference on Gas Hydrates, Trondheim, Norway, June 2005. -P. 606-613.
- Bagherzadeh S.A., Alavi S., Ripmeester J., Englezos P. Formation of methane nano-bubbles during hydrate decomposition and their effect on hydrate growth//J. Chem. Phys. -2015. -Vol. 142. -214701.
- Бахвалов Н.С. Численные методы (анализ, алгебра, обыкновенные дифференциальные уравнения). -М.: Наука, 1975. -632 с.
- Вержбицкий В.М. Численные методы (математический анализ и обыкновенные дифференциальные уравнения): Учеб. пособие для вузов. -М.: Высшая школа, 2001. -382 с.
