Bondarev_E.A._Tehnogennye_gidraty
.pdf
= 511,6 Дж/(кг∙К), p0 |
66 105 Па, T0 282,91 К, pс |
46,893 105 Па, |
||||
Tс 191,202 К, |
a 10,036 , b 126,023, L |
900 м,. |
Te0 283,15 К, |
|||
0,024 К/м; |
состав |
газа (об.%): CH4 |
99,169, |
C2H6 |
0,003 , |
|
C3H8 |
0,009, |
iC4H10 |
0,002 , nC4H10 |
0,002, |
C5 H12 |
0,018, |
CO2 |
0,611, N2 |
0,186; остальные параметры имеют те же значения, |
||||
что и в первом варианте.
Здесь приняты обозначения: L – глубина скважины, Te0 – температура на забое скважины, Г – геотермический градиент. Видно, что эти месторождения имеют существенно различные составы природного газа, пластовые условия и глубины продуктивного горизонта при примерно равной мощности многолетней мерзлоты. Критические параметры были определены по методике Kay W.B. [6], а постоянные a и b найдены путем аппроксимации кривой термодинамического равновесия гидратообразования, определяемой по методике E. Dendy Sloan [7] по известному составу газа.
Предварительно заметим, что на начальном этапе вычислялся оптимальный массовый расход газа, соответствующий минимуму тепловых потерь в отсутствие гидратного слоя. Для Средне-Вилюйского месторождения он оказался равным 9 кг/с, а для Мессояхского – 3 кг/с. В последующем вычислительном эксперименте варьировались начальные значения свободного сечения скважины и массовый расход.
Проанализируем результаты расчетов. Рисунок 1 иллюстрирует изменения площади проходного сечения скважины для двух значений массового расхода. В начальный момент скважина свободна от гидратов, то есть S 0 1. Прежде всего, отметим, что с увеличением массового расхода возрастает длительность процесса полной закупорки скважины гидратами: для оптимального расхода 9 кг/с она составляет примерно 71,6 суток (в модели с постоянным коэффициентом теплопередачи она равна примерно 2 суткам [8]), а для меньшего расхода – 26 суток.
10
Рис. 1. Изменения площади проходного сечения скважины Средне-Ви- люйского месторождения по глубине и во времени при S 0 1 (цифры на
поверхностях соответствуют значениям массового расхода газа в кг/с)
При этом образование гидратов начинается на разных глубинах. Более детально это можно видеть, сравнив соответствующие кривые на рис. 2. При большом расходе точка пересечения температуры газа (кривые 1 и 2) и равновесной температуры гидратообразования (кривая 3) соответствует глубине 2550–2485,5 = 65,5 м (рис. 2, а), а во втором – 2550–2258 = 292 м (рис. 2 б). Следовательно, гидратная пробка образуется вблизи устья скважины, а ее нижняя граница находится много выше подошвы многолетней мерзлоты. Из рисунка 2 также видно, что по мере закупорки проходного сечения температура газа понижается, что соответствует резкому падению давления вблизи устья скважины (рис. 3). Это объясняется резким уменьшением проходного сечения скважины при остающемся постоянным массовом расходе газа.
Динамика изменения площади проходного сечения оказывается более сложной, если в начальный момент она только наполовину свободна от гидратов. На рисунке 4 видно, что в нижней части скважины от забоя до глубины примерно 1800 м, площадь проходного сечения со временем возрастает, и эта часть скважины полностью очищается от гидрата. Выше этой отметки толщина гидратного слоя со
11
Рис. 2. Изменение температуры газа с глубиной для скважины СреднеВилюйского месторождения:
а) при M 9 кг/с (1 – t = 3,4 ч, 2 – t = 71,6 сут); б) при M = 2 кг/с (1 – t = 3,4 ч,
2 – t = 26 сут); 3 – равновесная температура гидратообразования, 4 – температура горных пород
Рис. 3. Изменение давления газа с глубиной для скважины СреднеВилюйского месторождения при М = 9 кг/с (1 – t = 3,4 ч, 2 – t = 71,6 сут), при
М = 2 кг/с (3 – t = 26 сут)
временем возрастает, образуя гидратную пробку вблизи устья через 49,7 суток при массовом расходе газа 9 кг/с и через примерно 14,5 суток при массовом расходе 2 кг/с. Эти две области разделены линией пересечения горизонтальной плоскости S = 0,5 с поверхностью S t, x . Отметим, что эта отметка превышает глубину, на которой
температура газа становится равной равновесной температуре гидратообразования.
12
Рис. 4. Изменения площади проходного сечения скважины СреднеВилюйского месторождения по глубине и во времени при S(0) 0,5 (сече-
ние наполовину свободно от гидратов) при M = 2 кг/с
Теперь рассмотрим соответствующие процессы на Мессояхском месторождении. Это месторождение отличается от Средне-Вилюйс- кого гораздо меньшей глубиной залегания газоносного пласта (900 м) и, соответственно, гораздо меньшими значениями пластовых давления и температуры при практически равной глубине подошвы многолетних пород. Расчеты проводились при значениях массового расхода 1 кг/с и 3 кг/с. Динамика изменения площади проходного сечения скважины представлена на рис. 5, из которого следует, что если вначале проходное сечение скважины было свободно, то при расходе 3 кг/с полная закупорка гидратами происходит через 26,9 суток, а при расходе 1 кг/с – через примерно 43 сут, то есть в этом случае увеличение расхода газа приводит к уменьшению времени полной закупорки скважины. Это объясняется тем, что пластовая температура Мессояхского месторождение существенно ниже Средне-Вилюйского. В этом случае устьевая температура газа даже при оптимальном расходе 3 кг/с будет ниже равновесной температуры гидратообразования. Из кривых изменения температуры газа следует, что глубина, на которой эти кривые пересекаются с равновесной температурой гидратообразования, равна 900–308 = 592 м для расхода 3 кг/с и 900–275 = = 625 м для расхода 1 кг/с, что, в отличие от предыдущего примера, существенно ниже подошвы многолетней мерзлоты (рис. 6).
13
Рис. 5. Изменения площади проходного сечения скважины Мессояхского месторождения по глубине и во времени при S(0) 1 (цифры на поверх-
ностях соответствуют значениям массового расхода газа в кг/с)
Рис. 6. Изменение температуры газа с глубиной для скважины Мессояхского месторождения:
а) при М = 3 кг/с (1 – t = 3,6 ч, 2 – t = 26,9 сут); б) при М = 1 кг/с (1 – t = 3,6 ч,
2 – t = 43 сут); 3 – равновесная температура гидратообразования, 4 – температура горных пород)
Еще большие различия в динамике гидратообразования для этих двух месторождений наблюдаются в том случае, если в начальный момент часть сечения скважины уже перекрыта гидратным слоем (рис. 7). При расходе 3 кг/с процесс гидратообразования прекращается через 6,8 суток, а при расходе 1 кг/с – примерно через 20 сут. Более того, в первом случае полной закупорки скважины гидратом не происходит: примерно 30 % проходного сечения остается свободным.
14
Рис. 7. Изменения площади проходного сечения скважины Мессояхского месторождения по глубине и во времени при S(0) 0,5 (цифры на поверх-
ностях соответствуют значениям массового расхода газа в кг/с)
Однако основное отличие от предыдущей ситуации заключается в том, что здесь практически отсутствует интервал ствола скважины, где происходит диссоциация гидратов, то есть, где площадь проходного сечения увеличивается. Это, в первую очередь, объясняется низкой пластовой температурой, которая очень близка к равновесной температуре гидратообразования.
Представленные здесь результаты свидетельствуют о том, что образование гидратов в стволе скважин – сложный процесс, достоверный прогноз которого, а следовательно, и обеспечение безопасности добычи газа, возможно только при комплексном рассмотрении таких факторов, как дебит газа и его состав, глубина скважины и пластовая температура, геотермические условия и состояние скважины перед пуском. В то же время этот анализ показывает, что образование гидратов в скважинах, даже при низких пластовых температурах и мощном слое многолетней мерзлоты, занимает достаточно много времени, чтобы предотвратить аварийные ситуации в системах газоснабжения. Кроме того, эти результаты демонстрируют опасность различного рода упрощений при математическом моделировании такого сложного технологического процесса, как добыча природного газа.
15
Литература
1.Бондарев Э.А., Васильев В.И., Воеводин А.Ф. и др. Термогидродинамика систем добычи и транспорта газа / Под ред. В.И. Марон. – Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1988. – 272 с.
2.Вукалович М.И., Новиков И.И. Уравнения состояния реального газа. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948. – 343 с.
3.Аргунова К.К., Бондарев Э.А., Рожин И.И. Возможности аналитического представления уравнения состояния природных газов / Труды XIII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, 28 июня – 1 июля 2011 г. – Новосибирск, 2011. – 1 CD-ROM. – ISBN 978-5-89017-030-9. – 6 с.
4.Латонов В.В., Гуревич Г.Р. Расчет коэффициента сжимаемости природного газа // Газовая промышленность. – 1969. – № 2. – С. 7–9.
5.Исаев С.И., Кожанов И.А., Кофанов В.И. и др. Теория тепломассообмена: Учебник для вузов / Под ред. А.И. Леонтьева. – М.: Высшая школа, 1979. – 495 с.
6.Kay W.B. Density of hydrocarbon gases and vapors at high temperature and pressures // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 1936. – Vol. 28. – P. 1014–1019.
7.Sloan E. Dendy, Jr. Clathrate hydrates of natural gases. – N.Y., Basel, HongKong: Marcel Dekker, Inc., 1997. – 705 p.
8.Бондарев Э.А., Аргунова К.К. Математические модели образования гидратов в газовых скважинах: Труды XIV Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении». Часть III. – Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2009. – С. 41–51.
16
Сведения об авторе
Бондарев Эдуард Антонович, 14 июля 1936 г.р.
Окончил МИНХ и ГП имени И.М. Губкина в 1959 г.; с дипломом горного инженера по специальности «Разработка нефтяных и газовых месторождений».
Доктор технических наук, профессор по специальности «Механика жидкости и газа».
Заместитель директора Института проблем нефти и газа СО РАН (ИПНГ СО РАН).
Профессор кафедры теплофизики Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова, г. Якутск.
Член Российского национального комитета по теоретической и прикладной механике. Заслуженный деятель науки Якутской АССР. Заслуженный деятель науки и техники РФ.
Почтовый адрес: 677980 Якутск, ул. Октябрьская, 1, ИПНГ СО РАН.
Эл. адрес: bondarev@ipng.ysn.ru
17
БОНДАРЕВ Эдуард Антонович
ТЕХНОГЕННЫЕ ГИДРАТЫ ПРИ ОСВОЕНИИ ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ
Редактор Л.А. Суаридзе
Компьютерная верстка И.В. Севалкина
Подписано в печать 27.06.2012. Формат 60 84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура «Таймс». Усл. п.л. 1,0. Тираж 30 экз. Заказ № 292
Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина
Ленинский просп., 65 Тел./Факс: 8(499)233-95-44
18