Bondarev_E.A._Tehnogennye_gidraty
.pdf
Академические чтения
Academic lecturing
1
The Ministry for Education and Science of the Russian Federation
THE GUBKIN RUSSIAN STATE UNIVERSITY
OF OIL AND GAS
E.A. BONDAREV
TECHNOLOGICAL GAS HYDRATES DURING DEVELOPMENT EASTERN SIBERIA GAS FIELDS
Publishers centre
Gubkin Russian State University of oil and gas
Moscow 2012
2
Министерство образования и науки
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА имени И.М. ГУБКИНА
Э.А. БОНДАРЕВ
ТЕХНОГЕННЫЕ ГИДРАТЫ ПРИ ОСВОЕНИИ ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ
Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина
Москва 2012
3
УДК 622э279.72
Бондарев Э.А.
Техногенные гидраты при освоении газовых месторождений Восточной Сибири. Вып. 73. – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012. – 17 с.
Лекция заместителя директора Института проблем нефти и газа СО РАН, заслуженного деятеля науки Якутской АССР, заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н., профессора Бондарев Эдуард Антонович на тему «Техногенные гидраты при освоении газовых месторождений Восточной Сибири» прозвучала на Академических чтениях РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина 22 марта 2012 года.
Автор ознакомил слушателей с последними достижениями в области разработки газовых месторождений в северных регионах в условиях, осложненных низкими температурами и мощной толщей многолетней мерзлоты.
© Э.А. Бондарев, 2012
© Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012
4
Технологические режимы добычи газа в северных регионах в значительной степени определяются такими природными факторами, как низкие климатические температуры и наличие мощной толщи многолетней мерзлоты. Следствием этих факторов являются осложнения, обусловленные возможностью образования гидратов как в призабойной зоне, так и в стволе скважин. Образование гидратов в призабойной зоне приводит к снижению продуктивности скважин, тогда как их образование в стволе скважин может привести к полному прекращению подачи газа. Такие аварийные ситуации могут иметь самые тяжелые последствия. В настоящее время единственным средством борьбы с этим нежелательным явлением является закачка в скважины метанола или других ингибиторов гидратообразования. Эта мера малоэффективна, так как метанол выносится из скважин вместе с добываемым газом, и она существенно повышает себестоимость добычи и транспорта газа. Следовательно, актуальной является задача выбора таких режимов отбора газа, при которых эти аварийные ситуации можно исключить или снизить их влияние на надежность газоснабжения.
Наиболее эффективным методом решения подобных задач является математическое моделирование соответствующих технологических процессов. Это направление активно развивается в Институте проблем нефти и газа Сибирского отделения (СО) РАН, поэтому здесь уместно предварительно привести краткие сведения об этом научном учреждении. В Институте 5 научных лабораторий: геологии месторождений нефти и газа, геохимии каустобиолитов, техногенных газовых гидратов, материаловедения и климатических испытаний. Численность 
110 человек, из них 63 научных сотрудника, в том числе 1 член-корреспондент РАН, 7 докторов наук, 31 кандидат наук и 17 аспирантов.
5
Основные направления научных исследований: геология и геохимия нефти и газа древних платформ; физико-технические проблемы разработки месторождений, транспорта и переработки нефти и газа; экономика регионального нефтегазового комплекса и проблемы сохранения северных экосистем в условиях функционирования нефтегазового комплекса; проблемы материаловедения и технологии получения модифицированных полимерных и композиционных материалов.
Исследования прикладного характера по договорам с министерствами Республики Саха (Якутия) РС (Я) и хозяйствующими субъектами РФ, работающими в Республике. Некоторые результаты за 2011 г.:
в зоне влияния нефтепровода Восточная Сибирь – Тихий океан (ВС 
ТО) на территории РС (Я) составлены схемы размещения первоочередных поисково-разведочных работ на нефть и газ в пределах 8 нефтегазоносных и перспективно нефтегазоносных областях Западной Якутии; разработана методика оценки эффективности организации производства синтетических моторных топлив на территории РС(Я); рекомендована точка заложения разведочной скважины на Отраднинском месторождении, из которой в марте 2011 года был получен промышленный приток газа, равный 300 тыс. м³/сут; проведены работы по рекультивации нефтезагрязненных земель и грунта на 1351 километре ВС-ТО; разработана принципиальная технологическая схема перевода и хранения газа в гидратном состоянии.
В лаборатории техногенных газовых гидратов ведутся исследования физической химии газовых гидратов (равновесные условия и кинетика их образования) и изучаются процессы образования (диссоциации) газовых гидратов в системах добычи и транспорта газа методами математического моделирования. В качестве примера успешного решения одной из задач ниже приведены результаты изучения динамики образования гидратов в газовых скважинах.
Для описания образования и отложения гидратов в скважинах и газопроводах в работе [1] была предложена квазистационарная мате-
6
матическая модель, в которой движение реального газа в трубах описывается в рамках трубной гидравлики, а динамика образования гидрата – в рамках обобщенной задачи Стефана, в которой температура фазового перехода «газ – гидрат» существенно зависит от давления в потоке газа. В этой модели, основанной на законах сохранения массы и энергии для потока газа, уравнения неразрывности, движения и энергии газа сведены к виду:
|
|
|
dp |
|
|
|
|
|
|
|
M 2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
g sin |
|
|
|
|
|
|
|
, |
(1) |
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
2,5 2,5 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
4 S |
|
S0 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
dT |
|
dp |
|
D |
T T |
|
g |
sin , |
(2) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
dx |
|
dx |
|
cp M |
e |
|
cp |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
где – плотность газа; g – гравитационное ускорение; cp |
– удельная |
|||||||||||||||
теплоемкость газа; S, D – поперечное сечение и диаметр трубы; x – координата вдоль оси трубы; p – давление; – угол наклона трубы, отсчитываемый от фиксированной горизонтальной плоскости; – коэффициент гидравлического сопротивления; Te – температура окружающей среды; T – температура газа; – суммарный коэффициент теплопередачи; M vS – массовый расход газа, являющийся константой; v – скорость течения газа; нулевой индекс обозначает начальное состояние.
Плотность газа связана с давлением и температурой уравнением состояния:
|
p |
, z z p, T , |
RT 2 |
|
z |
, |
(3) |
||
|
zRT |
c |
|
p T |
|||||
|
|
p |
p |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где R – газовая постоянная, z – коэффициент несовершенства газа, |
– |
||||||||
коэффициент дросселирования. При практических расчетах транспорта природного газа наиболее часто используется уравнение Берт-
|
|
p |
T |
|
T 2 |
|
||
ло [2] |
z 1 0,07 |
|
|
c |
1 |
6 |
c |
, но, во-первых, оно применимо при |
|
|
|
|
|||||
|
|
pc |
|
T |
|
T 2 |
|
|
7
небольших давлениях (до 10 МПа), а во-вторых, коэффициент дросселирования будет зависеть только от температуры. Недавно в нашей работе [3] было показано, что при высоких давлениях и температурах достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными уравнение Латонова-Гуревича [4]:
|
|
Tc |
p |
pc |
|
p |
|
|
|
|
|
|
|||
z |
0,17376 ln |
|
0,73 |
|
0,1 |
|
. |
T |
|
pc |
|||||
Уравнение, описывающее изменение площади проходного сечения скважины S с течением времени, записывается в безразмерном виде:
|
|
|
|
|
|
|
|
dS |
|
|
Te |
Tph ( p) |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b2 |
|
|
b1 S (Tph ( p) T ), |
(4) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
1 |
b ln S |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
где b |
|
1D0 |
, b |
|
|
2D0 |
, |
1 |
– коэффициент теплообмена между газом |
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||
1 |
|
|
4 h |
|
2 |
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
||||
и слоем гидрата; |
2 – коэффициент теплообмена между слоем гидрата |
|||||||||||||||||
и горной породой; |
|
h – теплопроводность гидрата; безразмерное вре- |
||||||||||||||||
мя |
|
hTc |
t |
, |
Te |
– |
критическая температура газа, |
h – плотность |
||||||||||
|
l D2 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
h h 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
гидрата, |
lh |
|
– |
|
удельная теплота образования гидрата; |
|||||||||||||
Tph p |
a ln p |
|
b |
– |
равновесная температура образования гидрата, |
|||||||||||||
где эмпирические коэффициенты a, b зависят от состава газа. Начальные условия для уравнений (1), (2) и (4) сформулируем в
виде: |
|
p 0 p0 , T 0 T0 , S 0 S0 . |
(5) |
В настоящей работе уравнение (4) модифицируется на случай зависимости коэффициента 1 от изменяющейся во времени площади проходного сечения трубы. Для вывода соответствующей зависимости используется известная полуэмпирическая формула для коэффициента теплопередачи при турбулентном течении газа в трубах [5]:
8
|
|
|
Nu 0,023Pr0,43Re0,8 , |
(6) |
|
где Nu |
1D |
, Pr, Re |
D |
– параметры Нуссельта, Прандтля и Рей- |
|
g |
|
||||
|
|
|
|
|
|
нольдса, соответственно; , g – динамическая вязкость и теплопроводность газа.
Теперь, используя выражение для массового расхода газа, из формулы (6) получим:
1D0 |
|
0,43 M0 |
0,8 |
|
0,1 M 0,8 |
|
|||
|
|
|
|
||||||
|
0,023Pr |
|
|
|
|
|
|
. |
(7) |
g |
|
D 0 |
|
4 |
S 0,9 |
||||
Изменяется и алгоритм вычислений. В тех сечениях скважины, где образуется гидратный слой, то есть, где безразмерная величина проходного сечения S меньше 1, коэффициент теплообмена в уравнении
(2) вычисляется по формуле (7), и при этом значение температуры горных пород Te заменяется на температуру фазового перехода «газ – гидрат» Tph .
Расчеты выполнялись при следующих значениях параметров, соответствующих:
1) Средне-Вилюйскому месторождению Республики Саха (Яку-
тия) = 5,82 Вт/(м2∙К), R = 449,4 Дж/(кг∙К), D = 0,1 м, = 90 , =
= |
0,02, h |
= 920 кг/м3, |
lh |
510000 Дж/кг, |
h |
1,88 Вт/(м∙К), |
g |
|||||||
0,0307 Вт/(м∙К), cp |
2300 Дж/(кг∙К), Pr |
0,886 , |
1,3 10 5 Па∙с, |
|||||||||||
p0 |
240 105 Па, |
T0 |
= |
323 |
К, |
pс |
46,573 105 Па, Tс |
205,239 К, |
||||||
a |
7,009 , |
b |
178,28, L 2550 м,. |
Te0 |
328 К, |
|
0,0256 К/м, |
|||||||
Te |
Te0 |
x, 0 |
x |
L |
400 |
м |
; состав газа (об.%): |
|
CH4 |
90,34, |
||||
|
271,15 |
К, |
L |
400 |
м |
x L |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
C2H6 |
4,98, C3H6 |
1,74 , iC4H10 |
0,22, nC4H10 |
0,41, |
C5H12 |
1,55 , |
||||||||
CO2 |
0,28 , N2 |
0,48 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
2) |
Мессояхскому месторождению Красноярского |
края |
R = |
||||||||||
9