Введение к работе
Актуальность темы. Традиционные ресурсы нефтегазовогосырья значительно истощаются.Поэтому в процессе развития науки и техники растет интерес к поиску новых нетрадиционных источников энергии и увеличению ихвклада в топливно-энергетический потенциал планеты. Ресурсы нетрадиционных видов углеводородного сырья намногопревышают традиционные. Современные потенциальные ресурсы природного газа в мире оцениваются в 51011 м3, ресурсы газа в газогидратном (ГГ) состоянии на суше и в Мировом океане – 1,51016м3.
Российские ученые (Васильев В. Г., Требин Ф. А., Черский Н. В. и др.) внесли значительный вклад в изучение проблемы распространения и оценки ресурсов газа в природных газовых гидратах (ГГ). Образование залежей природныхГГ при соответствующих условиях в осадочном чехле земной корыбыло признано научным открытием.В последние десятилетия обнаружены обширные ГГ зоны и изучены керны пород с природными ГГ содна морей и океанов, а также с побережья и шельфовой зоны материков: в Мексиканском заливе, около Тихоокеанского побережьяСША, моря Бофорта, на Северном склоне Аляски и газонефтяном месторождении Прадхо-Бей, в дельте реки Мак-Кензи и районе Эскимосских озер (Северная Канада).В связи с этим возникает проблема освоения ГГ залежей.Методы разработки ГГ залежей различаются двумяосновными способами воздействия на пласт: 1) тепловым,когда температура ГГ становится выше его температуры диссоциации при данном давлении пласта, в результате чего гидратразрушается и весь газ, заключенный в нем, освобождается и 2)газодинамическим,когда давление над ГГ снижается нижеего давления диссоциации при данной температуре пласта, которыйтакже ведёт к разрушению ГГ. Таким образом, разложение ГГ может регулироваться понижением давления или повышением температуры.Тепловые методы рассмотрены в литературе более детально иподробно (Макогон Ю.Ф., Черский Н.В., Бондарев Э.А. и др.), в то время как, газодинамические – недостаточно.Несомненное преимущество газодинамических методовзаключается в минимальных энергетических затратах.Однако они предъявляют повышенныетребования к фильтрационным характеристикам газогидратного пласта (ГГП). К газодинамическому методу можно отнести десорбционный, который не связан с разложением газогидрата, и тем самым сохраняется относительная фазовая проницаемость пласта по газу.
Цель работы
Математическое моделирование влияния десорбции газа на показатели разработки газ-газогидратного пласта понижением давления при сохранении 2-х или 3-х фазного равновесия.
Задачи исследования:
анализ существующих кристаллохимических данных и физико-химических свойств льда и ГГ, определение средней удельной теплоты десорбции молекул газов-гидратообразователей по литературным данным, аппроксимация температурной зависимости коэффициента теплового расширения кристаллических решётокльда Ih и газовых гидратов;
разработка и реализация на ЭВМ алгоритмов вычисления энергий некоторых водных кластеров с включённой молекулойAr методом атом-атомных потенциалов;
создание,анализи вычислительная реализация на ЭВМ математической модели разработки газ-ГГПс учетом десорбции газа из ГГпонижением давления при сохранности 2-х или 3-х фазных равновесий и определение динамики показателей разработки ГГП различными методами:
а)материального и тепловогоинтегральных балансов,
б) методом конечных разностей,
в) их сравнительный анализ и вычисление погрешностей методов;
оценка влияния кондуктивного и конвективного теплопереноса на десорбцию газа из ГГ при сохранности двухфазного равновесия газ–ГГ.
Научная новизна
Оценены составы некоторых газовых гидратов, коэффициенты теплового расширения льда, гидрата окиси этилена и тетрагидрофурана, отсутствующие в литературе. Применение III начала термодинамики к аппроксимационному полиному коэффициента теплового расширения кристаллов позволило сократить число определяемых членов разложения.
Предложена средняя удельная теплотадесорбции газа из газогидрата независимо от вида структуры. Впервые оценена средняя удельная теплота десорбции метана из ГГ – LД= 1221,7кДж/кг.
Оцененывклады десорбционного, конвективного и кондуктивного членов в уравнении энергии в рассмотренной модели разработки ГГП.
Оцененыэнергиирешёток некоторых водных кластеров с включённой молекулойAr на основе применения метода атом-атом потенциалов.
Изучен новый способ разработки ГГПдесорбционным методом при сохранении2-х или 3-х фазных равновесий и получены динамики:
коэффициентагазоотдачи газ-газогидратного пласта –
коэффициентадесорбированной газоотдачиГГкристалла –
коэффициентаотносительной долидесорбированногогаза ко всейдобыче при разработке газ-газогидратного пласта – h;
зависимости этих коэффициентов от гидратонасыщенности пласта.
Достоверностьполученных выводов и результатов определяется:
апробированностью и обоснованностью используемых математических моделей;
применением теоретически обоснованных и апробированных напрактике численных методов;
проверкой работоспособности разработанных алгоритмов ипрограмм и оценкой точности расчета на тестовых примерах;
совпадением численных и аналитических результатов между собой;
сравнением полученных результатов с известными в литературе данными;
использованием стандартных статистических методов обработки экспериментальных данных для определения средних значений физических величин.
Научная и практическая ценность
Математическая модель разработки ГГП может быть использована на практике для предварительной оценкипараметров разработки.
Разработанные методы и алгоритмы вычисления энергии кластеров могут быть применены для определения теплоты сублимации ГГ кристалла.
Полученные средние значения параметров решётки и удельныхтеплот десорбции газа из ГГ позволят точнеевычислять их физико-химические свойства.
Таблицы значений интеграла свободного объёма g(,,) с потенциалом Кихара позволят определить константу Ленгмюрадля произвольных значений параметров ,,без расчётаинтеграла g путём интерполирования.
Получены 3 авторских свидетельства СССР на изобретения.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:
-
Оценка удельной теплоты десорбции метана и математическая модель десорбции газа из ГГ при равновесном снижении давления в условиях сохранности двух- или трехфазного равновесия.
-
Математическая модель взаимодействия водных кластеровс включённой молекулой Ar методом атом-атомных потенциалов и методикаеёприменения к оценке их энергии взаимодействия.
-
Алгоритмы и программы для ЭВМ, с помощью которых проведена вычислительная реализация разработанных моделей.
Личный вклад автора заключается в организации и проведении научно-исследовательских работ по оценке теплот десорбции газов и изучению влияния десорбции газа на показатели разработки газ-ГГП, выводу основных уравнений разработки, получении формул для её показателей, обобщении полученных результатов.
Автор признателен ИФТПСCО РАН иИГДС СО РАН, где закладывалась работа;Попову В. В. за творческое содружество и помощь.Благодарен сотрудникам кафедры теоретической физики ФТИ СВФУ за содействие в выполнении настоящей работы, за плодотворное и критическое обсуждение результатов на семинарах.
Апробация работы
Отдельные результаты по теме диссертации докладывались и обсуждались: на семинарах отдела ГГ ИФТПС ЯФ СО АН СССР, лаборатории проблем освоения ГГ и нефтяных месторождений ИГДС ЯНЦ СО РАН;на семинаре лаборатории кристаллохимии химического факультета МГУ(Москва, 1977, д.х.н., проф. Зоркий П.М.);на расширенном семинаре лаборатории клатратных соединений ИНХ СО АН СССР (Новосибирск, 1979, к.х.н. Дядин Ю.А.);на семинаре кафедры теоретической механики и гидромеханики БашГУ (Уфа, 1988, д.ф.-м.н.,проф. Саяхов Ф.Л.);на IV Всесоюзном симпозиуме по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (Баку, 1978);на Всесоюзной научной конференции "ЭВМ и науки о Земле" (Новосибирск, 1986.);на Координационном совещании по проблемам освоения нетрадиционных источников природного газа (Тюмень, 1987);на IХ Всесоюзном семинаре "Численные методы решения задач фильтрации многофазной несжимаемой жидкости" (Якутск,1988);на I Всесоюзной научно-технической конференции "Нетрадиционные ресурсы углеводородов и проблемы их освоения"(Ленинград, 1988);на III Всесоюзном семинаре "Современные проблемы теории фильтрации" (Москва, 1989);на VII Всесоюзном съезде по теоретической и прикладноймеханике (Москва, 1991);на Международномсимпозиуме по нетрадиционным источникам углеводородного сырья и проблеме его освоения(С.-Петербург, 1992);на Международных конференциях по математическому моделированию. (Якутск, I-1994; II-1997; V-2007);на I Международной конференции Академии СеверногоФорума (Якутск, 1996);на Всероссийской научно-практической конференции «Теоретические и практические аспекты исследований природных и искусственных газовых гидратов», посвященной 75-летию заслуженного деятеля науки РФ, проф. Э. А. Бондарева.(Якутск, 2011).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 25научных работ, в т.ч. 3 работы в журналах из Перечня ВАК, одна коллективная монография, в трудах Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций и семинаров – 4,3 авторских свидетельства СССР на изобретения,1 электронный ресурс в ОФЕРНиОи 9 тезисов докладов на конференциях различного уровня, в т. ч. на VII Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике,М., 1991.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Список литературы насчитывает 129 наименований. Работа изложена на105 страницахмашинописного текста,содержит 25 таблиц и 15 рисунков.
