Введение к работе
Актуальность темы. Поведение пористых сред, насыщенных многофазными средами, при внешнем воздействии (тепловом, электромагнитном, акустическом и др.) и происходящие вследствие этого процессы представляют как теоретический, так и практический интерес. Методы математического моделирования процессов, связанных с фазовыми переходами вода-лед, находят применение при проектировании инженерных сооружений, разработки способов добычи полезных ископаемых, прогнозировании различных природных явлений и аварий. Опыт показывает, что физико-химические свойства грунтов и пород зависят от количества содержащихся в них льда и воды. В связи с этим особо важным становится изучение механизма влагопереноса в промерзающих и протаивающих грунтах.
Все возрастающий интерес к проблеме газогидратов связан с тем, что в перспективе природные газогидраты могут стать новым источником природного газа благодаря неглубокому залеганию, значительным ресурсам и концентрированному состоянию в них газа. При разложении газогидрата выделяется огромное количество газа. В настоящее время остро стоит проблема истощения природных запасов нефти, газа, угля, а запасы газогидрата во много раз превосходят запасы природных энергоресурсов вместе взятых. Открытие природных газогидратов, высокая их энергоемкость, глобальная экологическая значимость и другие важные аспекты их существования, вызвали огромный интерес исследователей всего мира к детальному изучению газогидратной тематики.
Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью развития и расширения научных основ технологических процессов, сопровождаемых фильтрационными течениями с фазовыми переходами, что определило цели работы:
построение и развитие теоретических моделей фильтрационных
течений, сопровождаемых фазовыми переходами;
анализ влияния исходных параметров пористой среды,
интенсивности закачки и температуры нагнетаемой в пласт воды или
газа на динамику гидродинамических и температурных полей в
пористой среде.
Задачи:
исследование фильтрационных течений, сопровождаемых фазовыми переходами, в мерзлых грунтах и в газогидратном массиве; изучение особенностей проникания воды в сухой пористый пласт, находящийся при отрицательной температуре, а также пласт, насыщенный льдом и газом;
анализ параметров, влияющих на интенсивность плавления и образования льда, а также разложение газогидратов в пористой среде.
Научная новизна заключается в следующем:
разработаны теоретические основы моделирования процесса
проникания воды в сухой пористый пласт, находящийся при
отрицательной температуре, а также пласт, насыщенный льдом и
газом;
в широком диапазоне изменения исходных параметров пористой
среды, а также интенсивности закачки и температуры закачиваемого
газа изучен процесс нагнетания теплого газа в пористую среду,
насыщенную газом и гидратом;
впервые показано, что рост интенсивности закачки теплого газа в
газогидратный массив приводит к снижению скорости
распространения границы разложения гидрата.
Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при разработке научных основ технологий извлечения газа из газогидратного массива, а также прогнозировании природных явлений и аварий, связанных с разливом различных жидкостей в областях с холодным климатом.
Достоверность результатов диссертации основана на использовании фундаментальных уравнений и методов механики сплошных сред; корректной теоретической постановкой задач, получением решений, непротиворечащих общим гидродинамическим и термодинамическим представлениям, а также проведением сравнительных тестовых расчетов.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях и научных школах:
Всероссийская научно-практическая конференция «Обратные задачи в приложениях» (Бирск, 2008);
XIV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-14) (Уфа, 2008);
XV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-15) (Кемерово-Томск, 2009);
VII Всероссийская научно-методическая конференция «ЭВТ в обучении и моделировании» (Бирск, 2009);
Республиканская научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов (Бирск, 2008-2012);
Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (Кемерово, 2010);
2. Показано, что при низкой температуре пористой среды Т0<25%К
область образования льда оказывается локализованной вблизи границы нагнетания воды, при этом льдонасыщенность пор стремится к единице. Получены условия проникания воды в сухой пористый пласт, находящийся при отрицательной температуре, а также пласт, насыщенный льдом и газом.
3. Установлено, что рост интенсивности закачки теплой воды и ее
температура не приводит к существенному увеличению области разложения
льда. Интенсивность разложения льда в пористой среде в первую очередь
определяется ее исходными характеристиками: пористостью,
проницаемостью и льдонасыщенностью.
4. Установлено, что при давлениях нагнетания газа порядка
Ре =20-30 МПа в газогидратный пласт и малых значениях исходной
гидратонасыщенности среды 5,0<0,2 при разложении газогидратов
возможны режимы распространения температуры в виде волновых конфигураций с двумя валами температуры.
5. Показано, что при плавлении льда в высокопроницаемом пористом
пласте при исходной льдонасыщенности S <0,5 образуется температурное
плато, свидетельствующее о превалирующей роли конвективного переноса тепла.
Работы, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК РФ:
-
Запивахина М.Н., Шагапов В.Ш. Численное моделирование процесса разложения газогидратов при инжекции газа в пористую среду // Теоретические основы химической технологии. - 2012. - Т.46. - № 3. - С. 293-302.
-
Шагапов В.Ш., Галимзянов М.Н., Запивахина М.Н. Моделирование процесса образования льда при инжекции воды в пористую среду, насыщенную льдом и газом // Вестник Башкирского государственного университета. - 2013. - Т. 18. - №1. - С. 22-26.
В других изданиях:
3. Запивахина М.Н., Шагапов В.Ш. Управление температурой
инжектируемого газа для обеспечения наиболее полного разложения
гидрата в пористой среде // Всероссийская научно-практической
конференция «Обратные задачи в приложениях». Бирск: БирГСПА. -
2008. - С.244-246.
На рис. 10 показано распределение температуры и давления в газогидратном пласте при исходных значениях гидратонасыщенности Sh0 =0,1; 0,5; 0,9 . Видно, что более интенсивный рост ближней области в пласте наблюдается при низких значениях исходной гидратонасыщенности пласта. Из рисунка также видно, что при гидратонасыщенности Sh0 =0,1 для профиля температуры образуется плато, что свидетельствует о превалирующей роли конвективного переноса тепла.
На рис. 11 показано влияния интенсивности закачки газа на поля температуры и давления. Для значений массового расхода было принято Q = 0,1; 0,02кг/м-с. Как следует из рисунка, с увеличением массового
расхода закачиваемого газа область разложения газогидрата уменьшается. Это объясняется тем, что с увеличением массового расхода растет давление на фронте разложения а, следовательно, с ним и равновесная температура разложения гидрата. Подводимое тепло при этом также в большей степени расходуется на нагрев пористой среды до температуры плавления гидрата.
0,0 0,2 0,4 0,6 і 0,8 1,0
Р,МПа 8
Рис. 11. Распределение температуры и давления при различных значениях массового расхода Qg =о,1кг/м-с (1), 0,02 кг/м с (2)
Основные результаты и выводы
В работе изучены фильтрационные течения при закачке воды или газа в пористую среду. Проанализированы различные режимы в зависимости от значений управляющих параметров и параметров пористой среды. По результатам исследований сформулированы следующие выводы:
1. Установлено, что рост интенсивности закачки теплого газа в газогидратный массив приводит к снижению скорости распространения границы разложения гидрата.
Российская конференция «Многофазные системы: природа, технологии, общество», посвященная 70-летию академика Р.И. Нигматулина (Уфа, 2010);
Мавлютовские чтения: Российская научно-техническая конференция, посвященная 80-летию со дня рождения чл.-корр. РАН P.P. Мавлютова (Уфа, 2011);
Международная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании» (Уфа, 2012).
Кроме того, результаты работы докладывались на семинарах проблемной лаборатории математического моделирования и механики сплошных сред под руководством профессора СМ. Усманова и В.Ш. Шагапова.
Публикации. Основной материал диссертации опубликован в 14 работах. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.
Работа изложена на ПО страницах и включает 21 рисунок. Список литературы содержит 126 наименований.
