Разложение газогидратов в пористой среде при инжекции теплового газа, воды - Курсовая работа

Газовые гидраты - минералы, состоящие из молекул газа (метана, углекислого газа, азота и др.), заключенных в ячейки молекул воды, которые связаны между собой водородными связями и формируют каркасы с обширными полостями. Гипотеза: для эффективной добычи газа из газогидратного массива путем инжекции теплового газа или воды необходимо построение теоретических модулей, учитывающих особенности теплодезических и гидродинамических процессов, протекающих в газогидратных пластах. Газовые гидраты (клатраты) представляют собой твердые кристаллические соединения, состоящие из молекул воды и газа. Принципиальная разница заключается в том, что при замерзании воды и образовании льда объем вещества увеличивается, а при формировании гидрата из газа и воды общий объем становится меньше. Вода в природе всегда содержит в себе некоторое количество растворенных солей и имеет ту или иную минерализацию, однако кристаллическая решетка газового гидрата строится только из молекул H2O, поэтому, как и в случае образования льда, оставшаяся незамерзшая вода всегда становится более минерализованной.Газ будем считать калорически совершенным, скелет пористой среды, газогидрат и вода несжимаемы и неподвижны, пористость постоянна: , где - истинные плотности фаз; m - пористость; p - давление; Т - температура; - газовая постоянная; индексы соответствуют параметрам скелета, гидрата, воды и газа. В области, находящейся вблизи границы (ближней области), поры заполнены газом и водой. Будем полагать, что в начальный момент времени гидратонасыщенность в пласте равна (Sh = Sh0), давление p0 и температура T0 изначально одинаковы во все пласте. Эти условия могут быть записаны следующим образом: Пусть через границу закачивается газ (одноименный исходному) с температурой при постоянном давлении . Тогда граничное условие имеет вид: В случае осесимметричной задачи полагаем, что через скважину, вскрывшую пласт на всю его толщину, закачивается газ с температурой и постоянным массовым расходом на единицу высоты скважины .Потенциал энергии, сосредоточенный в природных газогидратах, может обеспечить мир экологически чистой энергией не менее, чем на 200 лет. Природные газогидраты более равномерно распределены на планете, чем источники нефти и газа. Для разработки газогидратных залежей могут быть успешно использованы существующие технологии поиска и разведки, бурения и добычи углеводородных энергоресурсов при их незначительных усовершенствованиях.

Газовые гидраты - минералы, состоящие из молекул газа (метана, углекислого газа, азота и др.), заключенных в ячейки молекул воды, которые связаны между собой водородными связями и формируют каркасы с обширными полостями. По оценке специалистов на трети территории России существуют условия для накопления гидратов природного газа. Известны месторождения в Охотском море, Якутии, на дне озера Байкал, в Черном море и многих других местах. В общей сложности запасы газогидратов и континентальной и шельфовой части оцениваются в 100-1000 трлн. Куб. м.

Актуальность темы: Традиционные ресурсы энергии на Земле ограничены и распределены крайне неравномерно. Огромные запасы углеводородного газа находятся в виде гидратных отложений. Поэтому проблема освоения залежей газогидратов и извлечения газа из газогидратных массивов является весьма актуальной. Разработка ресурсов природных газогидратов будет способствовать как экономическому развитию отдельных стран, так и политической стабильности в мире.

Цель работы: исследование особенностей разложения газогидратов в пористой среде при инжекции теплового газа или воды, анализ влияния различных начальных условий на разложение газогидрата.

Гипотеза: для эффективной добычи газа из газогидратного массива путем инжекции теплового газа или воды необходимо построение теоретических модулей, учитывающих особенности теплодезических и гидродинамических процессов, протекающих в газогидратных пластах.

Задачи: получение автомодельных аналитических решений для ближней промежуточной и дальней зон;

проведение расчетов распределения давления, температуры и гидратонасыщености для ближней, промежуточной и дальней зон при инжекции теплового газа и воды в пористый пласт;

анализ влияний величины внешнего воздействия и параметров среды на распределение температуры, давления и гидратонасыщености.

Методология и методы: методологическую основу исследования составляют основные физико-химические и геологические свойства.

Метод исследования: теоретическоие (анализ, синтез, обобщение), численные методы (метод пристрелки)

Этапы исследования: констатирующий: изучение научной литературы. моделирование: построение модели на основе теоретических знаний эксперимент: определение условий эксперимента контроль: подвергание построенной модели дополнительной проверке итоги: формулировка выводов, обоснование результатов.

Научная новизна: работа может служить основой для изучения процессов разложения и образования при различных внешних параметрах

Теоретическая значимость: В автомодельной постановке решена задача о разложении газогидратов при инжекции теплового газа в газогидратный пласт;

Установлено, что разложение газогидратов в пластах происходит при определенных термобарических условиях;

Показано, что разложение газогидратов может происходить как на фронтальной поверхности, так и в объемной области;

Практическая значимость: основные запасы углеводородного газа находятся в виде твердых гидратных отложений. Полученные результаты могут быть использованы для извлечения газа из состава газогидратных массивов.

Структура: данная работа состоит из введения, двух глав и заключения

Глава 1. Общие сведения о газогидратах

1.1 Строение

Газовые гидраты (клатраты) представляют собой твердые кристаллические соединения, состоящие из молекул воды и газа.

Молекулы воды с помощью водородной связи образуют кристаллическую решетку, а молекулы газа размещены во внутренних полостях этой решетки, где удерживаются силами Ван-дер-Ваальса (Рис. 1):

Рисунок 1 - Структура газового гидрата

Первооткрывателем газовых гидратов можно считать англичанина Хамфри Дэви, который в 1810 г. в лабораторных условиях получил гидрат хлора. Изучение природных газовых гидратов началось только спустя более чем полтора века. В 1969 г. в СССР В. Г. Васильев, Ю. Ф. Макогон, Ф.А. Требин и А.А. Трофимук зарегистрировали открытие «Свойства природных газов находиться в земной коре в твердом состоянии и образовывать газогидратные залежи» (Свойство, 1970).

Общая формула для всех газовых гидратов - M • NH2O, где М - молекула гидратообразующего газа, а число n, ввиду того, что эти вещества имеют переменный состав, принимает значения от 5,75 до 17. Помимо индивидуальных гидратов так же известны двойные и смешанные (в состав которых входят несколько газов). Для того, чтобы соединение газа и воды было термодинамически стабильно необходимо определенное минимальное количество молекул газа: в чистом виде кристаллическая решетка состоящая из молекул воды, в отличие от решетки льда, существовать не может. В целом, газовые гидраты по своим физико-химическим свойствам похожи на лед. Принципиальная разница заключается в том, что при замерзании воды и образовании льда объем вещества увеличивается, а при формировании гидрата из газа и воды общий объем становится меньше.

1.2 Структура

Газовые гидраты в большинстве случаев кристаллизуются в одной из двух структур. У структуры I решетка объемноцентрированная, кубической сингонии; элементарная ячейка состоит из 2 малых и 6 больших полостей. У структуры II решетка гранецентрированная, кубической сингонии; в элементарной ячейке 16 малых и 8 больших полостей (Рис.2). Размер этих полостей определяет возможность вхождения в структуру тех или иных молекул газа. Самые маленькие полости характерны для структуры I. Их могут заполнять молекулы газов с наименьшим радиусом: в малые полости входят Ar, CH4, H2S, в большие - C2H6, Cl2, SO2. Газы с более крупным размером молекул - C3H8, IC4H10, CH2Cl2, CHCL3 образуют гидраты структуры II. Также известна гексагональная структура гидрата (H), в ней имеется два типа малых полостей и один тип большой.

Рисунок 2 - Комбинации полостей в элементарной ячейке гидратов в зависимости от структуры

Большинство компонентов природного газа, за исключением водорода, гелия, неона, нормального бутана и более тяжелых углеводородов, способно к образованию газовых гидратов. Самым распространенным природным газом-гидратообразователем является метан. Единица объема гидрата метана может содержать до 164 объемов газа.

Образование и существование газовых гидратов возможно при определенных условиях среды, зависящих, прежде всего от давления и температуры (Рисунок 3).

Рисунок 3 - Фазовая диаграмма для системы М NH2OU(M ? NH2O) I - температурная зависимость давления насыщенного пара растворителя, II - температурная зависимость давления газа над гидратом в присутствии жидкой воды, II a - то же, в присутствии льда, III - зависимость температуры плавления гидрата от давления в области существования жидкой воды, III a - то же, в области существования льда, IV - изменение температуры замерзания воды при растворении в ней гидратообразователя М

При образовании гидратов в природных условиях, помимо термобарических условий, большое значение имеет также состав гидратобразующего газа и состав воды. Молекулы газа захватываются в структуру гидрата избирательно: происходит фракционирование, и остаточная газовая фаза становится обогащенной молекулами газов плохо входящих в решетку изза своих размеров. Вода в природе всегда содержит в себе некоторое количество растворенных солей и имеет ту или иную минерализацию, однако кристаллическая решетка газового гидрата строится только из молекул H2O, поэтому, как и в случае образования льда, оставшаяся незамерзшая вода всегда становится более минерализованной.

1.3 Кинетика образования и разложения газовых гидратов

Изучение кинтеики образования газовых гидратов ведется с начала 60-х годов, когда В. Кнокс с соавторами (1961 г.) выполнил первые исследования скорости образования гидрата пропана. В дальнейшем было проведено множество исследований кинетики образованя водных клатратов различных веществ, в том числе и гидратов природных газов. Следует, однако, отметить, что большинство экспериментальных исследований кинетики выполнено, главным образом для целей химической технологии, поэтому они проводились в реакторах с мешалками. Это зачастую затрудняет или делает вообще невозможным перенесение результатов подобных исследований на реальные природные условия.

В то же время механизмам и скорости гидратообразования в статических условиях, которые в наибольшей степени моделируют природные условия, посвящено относительно мало работ. В мировой литературе практически отсутствуют сведения о исследованиях скорости гидратонакопления в дисперсных породах. Тем не менее, имеющаяся на сегодняшний день информация позволяет выявить основные особенности кинетики образования и разложения газовых гидратов.

1.4 Свойства гидратосодержащих пород

Водно-физические свойства: При гидратообразовании в дисперсных породах происходит увеличение удельного объема поровой воды (до 30% от первоначального), что приводит к пучению породы, т.е к увеличению ее объема. В наших экспериментах с кварцевыми песками свободное увеличение образцов после гидратообразования составляло 7-12 % при начальной влажности образцов 0,5-0,6 от влажности капиллярной влагоемкости. Увеличение объема образцов соответствовало увеличению удельной пористости. Плотность образцов изменялась не столь значительно. Чаще всего она понижалась на 5-6 %, что вызвано действием двух, в разном направлении влияющих на плотность, процессов: увеличением объема и увеличением массы (за счет связывания газа) образцов. Разложение газовых гидратов в песчаных и глинистых породах, как правило, приводит к усадке образцов, повышению их плотности, однако при этом теряется связанность минеральных частиц.

Фильтрационные свойства гидратосодержащих пород интересны прежде всего с точки зрения анализа возможностей добычи газа из газогидратных залежей. Проницаемость песчаных сред, насыщенных гидратами, наиболее подробно исследовали А.С. Схаляхо (1974 г.), А.Ф. Безносиков (1978 г.). Из полученных данных следует, что фильтрационные свойства пород ухудшаются с повышением степени заполнения гидратами порового пространства песчаных пород и при коэффициенте гидратонасыщенности пор, равном 0,65-0,70, порода становится практически непроницаемой для газа.

Фильтрационные свойства гидратосодержащих пород в воде изучал В.А. Ненахов (1982 г.). Он получил определенную зависимость относительной проницаемости гидратосодержащего песка по воде от градиента давлений на торцах образца. Эта нелинейная зависимость связывается с тем, что в гидратонасыщенных средах вода ведет себя аналогично вязкопластичным жидкостям, а не как ньютоновская жидкость. Вязкопластичные жидкости характеризуются наличием кажущегося предельного напряжения сдвига величиной порядка 0,1-1 Па. Соответственно для хорошо проницаемых гидратонасыщенных песчаных коллекторов начальный градиент давления должен составлять 0,02-0,2 МПА/м.

Акустические и механические свойства: Акустические свойства гидратосодержащих пород исследовались как в процессе морских работ по изучению гидратов, так и в лабораторных условиях. Однозначно установлен факт повышения скорости прохождения продольной волны после перехода поровой влаги, а гидратное состояние по сравнению с газо- или водонасыщенной породой. Скорость продольной волны в гидратосодержащих породах составляет по данным различных исследований от 2 км/с (Дж. Брайан, 1974 г.) до 5,27 км/с (М. Мэтьоуз, Вон Хюен, 1985 г.).

Электрические свойства: Экспериментальные и полевые геофизические исследования показали резкое возрастание удельного электросопротивления в гидратосодержащих породах по сравнению с водо- и газонасыщенными. Так, М.А. Цикель, изучавший искусственно насыщенные гидратами фреона, пропана и метана образцы песчаников Хапчагайского поднятия (Восточная Сибирь), установил, что главная причина увеличения электросопротивления гидратонасыщенных пород по сравнению с влагонасыщенными - увеличение извилистости поровых каналов, нарушение сплошности пленок воды на поверхности минеральных частиц, в результате чего прерываются токопроводящие пути, а также происходит уменьшение количества свободной воды, определяющей в основном сопротивление породы.

К. Пирсон и другие (1983 г.), проводившие исследования песчаников, поры которых целиком заполнены гидратом тетрагидрофурана, установили зависимость удельного электросопротивления гидратосодержащих пород от частоты пропускаемого сквозь образец тока и минерализации порового раствора. Сравнивая результаты своих определений электрических свойств гидрато- и ледосодержащих пород одинакового состава, они пришли к выводу, что лед и гидрат практически одинаково влияют на изменение физических свойств пород. Что касается частоты пропускаемого через образец тока, то удельные электросопротивления почти не зависят от нее в интервале 10-30 Гц, однако диэлектрическая постоянная и диэлектрические потери уменьшаются с увеличением частоты тока.

Теплофизические свойства: Исследования теплофизических свойств газовых гидратов довольно интенсивно проводились в последнее время. Однако теплофизические свойства гидратонасыщенных породизучались фактически только А.. Гройсманом, хотя отдельные сведения по данному вопросу имеются в работах Р. Руеффа и Е. Слоана (1985 г.), Р. Стола.

Так, они установили, что на теплофизические свойства газовых гидратов, заполняющих поровое пространство дисперсных пород, состав самих пород практически не оказывает влияния. Изменения теплофизических свойств могут быть связаны лишь с наличтем дополнительных органических примесей в поровом пространстве. Однако, эти примеси могут заметно понизить энтальпию диссоциации газовых гидратов. Подобные результаты связаны скорее всего с особенностями проведения эксперимента, т.к. в образцах с органическими примесями, которые обладают гидрофильными свойствами, может быть существенно больше неперешедшей в гидрат связанной воды, которая и «снижает» найденную энтальпию диссоциации (т.е. полученная величина эвляется эффективной).

1.5 Пористая среда

Пористая среда представляет собой твердое тело («скелет»), пронизанное системой сообщающихся между собой пустот (пор), имеющих нерегулярный характер и делающих среду проницаемой для жидкостей и газов. Характерные размеры пор - единицы или десятки микрометров. Скелет пористой среды обычно состоит из зерен песчаника или известняка различной формы и размеров, расположенных случайно и связанных между собой каким-либо цементирующим материалом.

Первая важнейшая характеристика пористой среды - ее пористость m. Это отношение объема пор Vn к общему объему образца V: m=Vn/V

Пористость - безразмерная величина; обычно ее указывают в процентах. Можно уточнить понятие пористости: различать полную пористость, когда учитываются все поры, и активную пористость, когда учитываются лишь те поры, которые входят в единую систему соединенных между собой пор и могут быть заполнены жидкостью извне. В теории фильтрации существенна лишь активная пористость, поэтому именно она в дальнейшем будет пониматься под пористостью.

Средние значения пористости и абсолютной проницаемости некоторых природных пористых сред: Пористость Проницаемость, МД

Песок сыпучий 35% 2500

Крупнозернистый песчаник 25% 1200

Среднезернистый песчаник 20% 700

Мелкозернистый песчаник 14% 100

Известняк 10% 50

1.6 Наличие газогидратов в поровом пространстве пород

Аргументы, которые можно считать доказательством наличия газовых гидратов Аргументы, опровергающие их наличие

Экспериментально установлена возможность образования гидратов метана в верхней продуктивной пачке Мессояхского месторождения. Здесь можно выразить, что это ничего не доказывает, так как на месторождении зафиксированы равновесные условия и превышены они или нет, неясно.

Установлен факт образования гидратов в призабойной части пласта на промывке забоя буровым раствором с температурой, выше пластовой. Но при этом остается неясным, почему гидраты не образовались там ранее из пластовых вод, учитывая, что буровой раствор почти не проникает в пласт.

Комплекс геофизических (каротажных) данных свидетельствуют о наличии газогидратов. Однако, калибровки показаний приборов по реальным гидратосодержащим образцам керна не проводились, поэтому полной уверенности, что при каротажных исследованиях были зафиксированы гидратосодержащие интервалы, нет.

Дебиты скважин из верхней пачки составляют в среднем 10 % от общего при толщине пачки 30 % от общей и значительной идентичности коллекторских свойств кернов верхней и нижней пачек. Это явление может быть объяснено повышенной глинистостью верхней пачки и образованием техногенных гидратов в призабойной части пласта вследствие дроссельного эффекта.

Эксплуатация скважин при наличии столба метанола на забое сопровождалась проникновением его в призабойную зону за счет капиллярной пропитки в течение нескольких лет и при этом происходила осушка призабойной зоны, а удельные дебиты на скважинах, вскрывающих верхнюю пачку, остаются ниже удельных дебитов скважин, перфорированных в интервале нижней пачки. Это также можно объяснить повышенной глинистостью верхней пачки. Кроме того, изучение материалов разробртки месторождения показало, что большинство добывающих скважин на месторождении было перфорировано сразу в нескольких местах по интервалу месторождения, поэтому отделять газ из верхней пачки от газа из нижней пачки часто невозможно.

Потенциал энергии, сосредоточенный в природных газогидратах, может обеспечить мир экологически чистой энергией не менее, чем на 200 лет. Природные газогидраты более равномерно распределены на планете, чем источники нефти и газа. Для их освоения не потребуются сверхглубокие скважины и дорогостоящие системы транспортирования добываемой продукции.

Для разработки газогидратных залежей могут быть успешно использованы существующие технологии поиска и разведки, бурения и добычи углеводородных энергоресурсов при их незначительных усовершенствованиях. Экономические показатели освоения газогидратных залежей могут быть даже более эффективными, чем в случае месторождений нефти и природного газа.

Разумеется, освоение залежей твердых газогидратов имеет свои особенности, которые требуют серьезного изучения. Одной из наиболее важных задач является создание высокоэффективных технологий перевода газа из твердого состояния в свободное непосредственно в пластах. Особенно серьезную проблему, связанную с разработкой газогидратных месторождений, составляет обеспечение региональной и глобальной экологической безопасности.

В целом, природные газовые гидраты составляют весьма сложную многоаспектную проблему. Исследования в этой области необходимо координировать в мировом масштабе, что позволит исключить дублирование работ и потерю времени. Необходима организация единого координационного международного центра по исследованию газогидратов и созданию эффективных технологий их освоения.

1. Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях. М.: Недра, 1992.

2. Бык С.Ш., Макагон Ю.Ф., Фомина В.И. Газовые гидраты. М.: Химия, 1980.

3. Нигматулин Р.И., Шагапов В.Ш., Сыртланов В.Р. Автомодельная задача о разложении газогидратов в пористой среде при депрессии и нагреве // ПМТФ. 1998. Т.39. № 3. С. 111-118.

4. В.И. Васильев, В.В. Попов, Г.Г. Цыпкин. Численное исследование разложения газовых гидратов, сосуществующих с газом в природных пластах// Изв. РАН. МЖГ. 2006. № 4. С. 127-134.

5. Лейбензон А.С. Движения природных и газов в пористой среде. М.: ОГИЗ, 1947.

6. Шагапов В.Ш., Мусакаев Н.Г., Хасанов М.К. Нагнетание газа в пористый резервуар, насыщенный газом и водой // Теплофизика и аэромеханика, 2005. Т. 12. № 4. С. 645-656.

7. Гумеров Н.А. Автомодельный рост газового гидрата, разделяющего газ и жидкость // Изв. РАН. МЖГ. 1992. № 5. С. 78-85.

8. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.6. Гидродинамика. М.: Наука. 1986. 736 с.

Размещено на