Численное исследование процесса разложения газового гидрата при тепловом воздействии на гидратосодержащую область пористого пласта

Н.Г. Мусакаев1,2 , Д.С. Бельских2

1Тюменский филиал Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, г. Тюмень, 625026, Россия

2Тюменский государственный университет, г. Тюмень, 625003, Россия

 

ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ

Полный текст PDF

DOI: 10.26907/2541-7746.2021.2.153-166

Для цитирования: Мусакаев Н.Г., Бельских Д.С. Численное исследование процесса разложения газового гидрата при тепловом воздействии на гидратосодержащую область пористого пласта // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2021. – Т. 163, кн. 2. – С. 153–166. – doi: 10.26907/2541-7746.2021.2.153-166.

For citation: Musakaev N.G., Belskikh D.S. Numerical study of the process of gas hydrate decomposition under the thermal impact on the hydrate-containing region of a porous formation. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 2021, vol. 163, no. 2, pp. 153–166. doi: 10.26907/2541-7746.2021.2.153-166. (In Russian)

Аннотация

Предложена математическая модель, описывающая в двумерном приближении процесс теплового воздействия (повышение температуры на верхней границе пласта) на область пористой среды, содержащую в начальном состоянии метан и его гидрат. Границы области являются непроницаемыми для продуктов разложения газового гидрата (газа и воды). Учтены неидеальность газа и неизотермические эффекты при движении газа и воды в пористой среде. Процесс разложения гидрата метана предполагается равновесным. Проведено численное исследование неизотермического фильтрационного течения с учетом диссоциации в пористой среде газогидрата метана. Результаты исследования показали, что при тепловом воздействии наблюдается фронтальный режим фазовых переходов. Причем область, содержащая продукты разложения газового гидрата, увеличивается с ростом температуры на верхней границе пласта и увеличением его исходной проницаемости, а также со снижением начальной гидратонасыщенности.

Ключевые слова: газовый гидрат, пористая среда, неизотермическая фильтрация, разложение гидрата, численное исследование

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-31-90043.

Литература

  1. Васильев А.А., Мельников В.П., Семенов П.Б., Облогов Г.Е., Стрелецкая И.Д. Содержание и эмиссия метана в доминантных ландшафтах типичной тундры Западного Ямала // Докл. Акад. наук. – 2019. – Т. 485, № 1. – С. 88–92. – doi: 10.31857/S0869-5652485188-92.
  2. Neumann R.B., Moorberg C.J., Lundquist J.D., Turner J.C., Waldrop M.P., McFarland J.W., Euskirchen E.S., Edgar C.W., Turetsky M.R. Warming Effects of Spring Rainfall Increase Methane Emissions From Thawing Permafrost // Geophys. Res. Lett. – 2019. – V. 46, No 3. – P. 1393–1401. – doi: 10.1029/2018GL081274.
  3. Euskirchen E.S., Bret-Harte M.S., Shaver G.R., Edgar C.W., Romanovsky V.E. Long-term release of carbon dioxide from Arctic tundra ecosystems in Alaska // Ecosystems. – 2017. – V. 20, No 5. – P. 960–974. – doi: 10.1007/s10021-016-0085-9.
  4. Archer D. Methane hydrate stability and anthropogenic climate change // Biogeosciences. – 2007. – V. 4, No 4. – P. 521–544. – doi: 10.5194/BG-4-521-2007.
  5. Киселев А.А., Решетников А.И. Метан в Российской Арктике: результаты наблюдений и расчетов // Проблемы Арктики и Антарктики. – 2013. – № 2. – С. 5–15.
  6. Makogon Y.F., Holditch S.A., Makogon T.Y. Natural gas-hydrates – A potential energy source for the 21st century // J. Pet. Sci. Eng. – 2007. – V. 56, No 1–3. – P. 14–31. – doi: 10.1016/j.petrol.2005.10.009.
  7. Лобковский Л.И., Никифоров С.Л., Дмитревский Н.Н., Либина Н.В., Семилетов И.П., Ананьев Р.А., Мелузов А.А., Росляков А.Г. О процессах газовыделения и деградации подводных многолетнемерзлых пород на шельфе моря Лаптевых // Океанология. – 2015. – Т. 55, № 2. – С. 312–320. – doi: 10.7868/S0030157415010128.
  8. Chernov A.A., Elistratov D.S., Mezentsev I.V., Meleshkin A.V., Pil’nik A.A. Hydrate formation in the cyclic process of refrigerant boiling-condensation in a water volume // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2017. – V. 108, Pt. B. – P. 1320–1323. – doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.12.035.
  9. Sung W.M., Lee H., Lee H., Lee C. Numerical study for production performances of a methane hydrate reservoir stimulated by inhibitor injection // Energy Sources. – 2002. – V. 24, No 6. – P. 499–512. – doi: 10.1080/00908310290086527.
  10. Васильев В.И., Попов В.В., Цыпкин Г.Г. Численное исследование разложения газовых гидратов, сосуществующих с газом в природных пластах // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. – 2006. – № 4. – С. 127–134.
  11. Bai Y., Li Q., Zhao Y., Li X., Du Y. The experimental and numerical studies on gas production from hydrate reservoir by depressurization // Transp. Porous Media. – 2009. – V. 79. – P. 443–468. – doi: 10.1007/s11242-009-9333-1.
  12. Feng J.-C., Li X.-S., Li G., Li B., Chen Z.-Y., Wang Y. Numerical investigation of hydrate dissociation performance in the South China Sea with different horizontal well configurations // Energies. – 2014. – V. 7, No 8. – P. 4813–4834. – doi: 10.3390/en7084813.
  13. Баренблатт Г.И., Лобковский Л.И., Нигматулин Р.И. Математическая модель истечения газа из газонасыщенного льда и газогидратов // Доклады Акад. наук. – 2016. – Т. 470, № 4. – С. 458–461. – doi: 10.7868/S0869565216280148.
  14. Лобковский Л.И., Рамазанов М.М. Математическая модель осесимметричного квазистационарного тепломассопереноса в газогидратном пласте // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. – 2017. – № 4. – С. 85–96. – doi: 10.7868/S0568528117040089.
  15. Wan Q.-C., Si H., Li B., Li G. Heat transfer analysis of methane hydrate dissociation by depressurization and thermal stimulation // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2018. – V. 127. – P. 206–217. – doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.07.016.
  16. Wang Y., Feng J.-C., Li X.-S., Zhang Y., Chen Z.-Y. Fluid flow mechanisms and heat transfer characteristics of gas recovery from gas-saturated and water-saturated hydrate reservoirs // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2018. – V. 118. – P. 1115–1127. – doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.11.081.
  17. Moridis G.J., Queiruga A.F., Reagan M.T. Production from multilayered hydrate-bearing media with fully coupled flow, thermal, chemical and geomechanical processes using TOUGH + Millstone. Part 1: Numerical modeling of hydrates // Transp. Porous Media. – 2019. – V. 128. – P. 405–430. – doi: 10.1007/s11242-019-01254-6.
  18. Мусакаев Н.Г., Хасанов М.К., Бородин С.Л., Бельских Д.С. Численное исследование процесса разложения гидрата метана при закачке теплого газа в гидратонасыщенную залежь // Вестн. Том. гос. университета. Математика и механика. – 2018. – № 56. – С. 88–101. – doi: 10.17223/19988621/56/8.
  19. Musakaev N.G., Borodin S.L., Gubaidullin A.A. Methodology for the numerical study of the methane hydrate formation during gas injection into a porous medium // Lobachevskii J. Math. – 2020. – V. 41, No 7. – P. 1272–1277. – doi: 10.1134/S199508022007032X.
  20. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. 1, 2. – М.: Наука, 1987.
  21. Басниев К.С., Кочина И.Н. Подземная гидромеханика. – М.: Недра, 1993. – 416 c.
  22. Шагапов В.Ш., Мусакаев Н.Г., Уразов Р.Р. Математическая модель течения природного газа в трубопроводах с учетом диссоциации газогидратов // Инж.-физ. журн. – 2008. – Т. 81, № 2. – С. 271–279. – doi: 10.1007/s10891-008-0036-1.
  23. Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях. – М.: Недра, 1992. – 236 c.
  24. Musakaev N.G., Borodin S.L. To the question of the interpolation of the phase equilibrium curves for the hydrates of methane and carbon dioxide // MATEC Web Conf. – 2017. – V. 115. – Art. 05002, P. 1–4. – doi: 10.1016/j.fuel.2019.116614.
  25. Sloan E.D., Koh A.C. Clathrate Hydrates of Natural Gases. – CRC Press, Taylor and Francis Group, 2008. – 752 p.
  26. Shagapov V.Sh., Musakaev N.G., Khabeev N.S., Bailey S.S. Mathematical modelling of two-phase flow in a vertical well considering paraffin deposits and external heat exchange // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2004. – V. 47, No 4. – P. 843–851. – doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2003.06.006.
  27. Musakaev N.G., Khasanov M.K. Solution of the problem of natural gas storages creating in gas hydrate state in porous reservoirs // Mathematics. – 2020. – V. 8, No 1. – Art. 36, P. 1–14. – doi: 10.3390/math8010036.
  28. Misyura S.Y., Donskoy I.G. Dissociation kinetics of methane hydrate and CO2 hydrate for different granular composition // Fuel. – 2020. – V. 262. – Art. 116614, P. 1–8. – doi: 10.1016/j.fuel.2019.116614.
  29. Musakaev N.G., Khasanov M.K. On the issue of the solutions existence of the problem of gas hydrate dissociation in a porous medium with the formation of an extended region of phase transitions // J. Phys.: Conf. Ser. – 2019. – V. 1404. – Art. 012034, P. 1–6. – doi: 10.1088/1742-6596/1404/1/012034.

Поступила в редакцию

10.12.2020

 

Мусакаев Наиль Габсалямович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник; профессор кафедры прикладной и технической физики

Тюменский филиал Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН

ул. Таймырская, д. 74, г. Тюмень, 625026, Россия

Тюменский государственный университет

ул. Володарского, д. 6, г. Тюмень, 625003, Россия

E-mail: musakaev@ikz.ru

 

Бельских Денис Сергеевич, аспирант кафедры фундаментальной математики и механики

Тюменский государственный университет

ул. Володарского, д. 6, г. Тюмень, 625003, Россия

E-mail: denisbelskikh@gmail.com

 

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.