Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время резко возрос интерес к изучению газовых гидратов – твердых кристаллических соединений, образующихся из газа и воды при определенных давлениях и температурах. В первую очередь, это обусловлено тем, что значительные ресурсы природного газа, находящегося в земной коре, сосредоточены в виде газовых гидратов. Благодаря высокой удельной концентрации газа в составе гидратов, величина этих запасов значительно превосходит разведанные запасы газа в свободном состоянии. С учетом их неглубокого залегания газовые гидраты можно рассматривать как один из перспективных источников углеводородного сырья. Высокое содержание газа в гидратном состоянии в единице объема (в 1 м3 гидрата может содержаться до 180 м3 газа) по сравнению со свободным состоянием при той же температуре и давлении приводит к развитию газогидратных технологии. Например, для хранения и транспортировки природного газа на небольших месторождениях и увеличении емкости подземных резервуаров необходима разработка высокопроизводительных технологий промышленного получения газовых гидратов. Также в целях уменьшения объема парниковых газов и их последующего безопасного захоронения, рядом исследователей предлагается подземная газогидратная консервация этих газов, которая может обеспечить нужный уровень безопасности хранения и имеет относительно небольшие энергетические затраты. Однако, процессы образования и разложения гидратов в пористых средах, являются медленными. Поэтому необходимо создавать такие условия, которые увеличивают их интенсивность.
Исследованиям процессов образования и разложения газовых гидратов в пористых структурах посвящены работы ряда авторов, таких как Бондарев Э.А., Васильев В.И., Цыпкин Г.Г., Халиков Г.А., Саяхов Ф.Л., Шагапов В.Ш., Хабибуллин И.Л. и др. В этих работах в основном была использована автомодельная постановка решаемых задач. Стоит отметить, что такой подход применительно к задачам об образовании и разложении газовых гидратов в пористых пластах конечной протяженности соответствует лишь начальному этапу процесса, когда влияние внешних границ несущественно. Однако зачастую возникает необходимость решать задачи неустановившейся фильтрации, когда нужно учитывать ограниченность пластов и влияние их границ на процессы перераспределения пластового давления. В этом случае автомодельность процесса нарушается.
Все вышесказанное и определяет актуальность проведенного исследования процессов, происходящих в пористых средах конечной протяженности с учетом образования и разложения газовых гидратов.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование процессов образования и разложения газовых гидратов применительно к проблемам разработки газогидратных месторождений, вопросам консервации и хранения углеводородного сырья в гидратном состоянии. Для реализации данной цели в диссертационной работе:
проведено изучение процессов, происходящих в пористых средах конечной длины, изначально насыщенных газом, гидратом и водой при нагнетании или отборе газа;
осуществлен анализ влияния исходных параметров среды и условий на внешних границах пласта на особенности протекания процессов образования (разложения) газовых гидратов и эволюцию границ фазовых переходов.
Научная новизна заключается в следующем:
впервые решены задачи об образовании и разложении газового гидрата в пористой среде конечных размеров, описаны этапы реализации данных процессов, получены распределения основных параметров пластовой системы (температуры, давления и гидратонасыщенности);
показано, что в случае нагнетания в пласт холодного (с температурой ниже температуры пласта) газа при определенных начальных и граничных условиях протяженная область образования газового гидрата со временем вырождается во фронтальную поверхность;
для задач образования и разложения гидрата установлены закономерности данных процессов в зависимости от исходных параметров пористой среды и условий на ее границах.
Достоверность результатов диссертации основана на использовании классических методов и уравнений механики многофазных систем, обусловлена корректной постановкой задач, а также согласием решений с общими термодинамическими представлениями. Надежность расчетов подтверждается тестовыми расчетами и согласованием с аналитическими решениями.
Практическая ценность. Результаты теоретических исследований, полученные в диссертации, могут быть использованы при разработке эффективных и безопасных технологий добычи газа из газогидратных залежей, а также для создания и совершенствования программных средств геолого-гидродинамического моделирования газогидратных месторождений, способов хранения газа в гидратном состоянии в пористых структурах и определении наиболее выгодных и стабильных режимов консервации газа в пластовых системах.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, были представлены на следующих конференциях и научных школах:
XIV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Уфа, 2008);
VI Минский международный форум по тепло- и массопереносу (Минск, 2008);
Международная научная конференция «Дифференциальные уравнения и смежные проблемы» (Стерлитамак, 2008);
XV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Кемерово – Томск, 2009);
Международная научная конференция «Перспективы освоения газогидратных месторождений» (Москва, 2009);
Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Актуальные проблемы современной науки и образования» (Уфа, 2010);
Российская конференция «Многофазные системы: природа, человек, общество, технологии», посвященная 70-летию академика Р.И. Нигматулина (Уфа, 2010);
Российская научно-техническая конференция «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2011);
Всероссийская научная конференция с международным участием «Дифференциальные уравнения и их приложения» (Стерлитамак, 2011).
Кроме того, результаты работы докладывались и получили положительную оценку на научных семинарах кафедры прикладной математики и механики под руководством член-корр. АН РБ, д.ф.-м.н. Шагапова В.Ш. и д.ф.-м.н. Гималтдинова И.К., кафедры теоретической физики под руководством д.т.н. Филиппова А.И. (2006-2010 гг.) Стерлитамакской государственной педагогической академии им. З. Биишевой, а также на семинаре кафедры математики Уфимского государственного авиационного технического университета под руководством д.ф.-м.н. Байкова В.А.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 113 страниц, в том числе 37 рисунков. Список литературы состоит из 85 наименований.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 13 научных работах, список которых приведен в конце автореферата, из них 3 — в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю член-корр. АН РБ, д.ф.-м.н. Шагапову В.Ш., а также к.ф.-м.н., доценту Хасанову М. К. за ценные советы и постоянное внимание к работе.
