CC BY
2УДК 532.546:536.421
ДИНАМИКА ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТНЫХ ОБОЛОЧЕК НА ПОВЕРХНОСТИ ПУЗЫРЬКОВ ДЛЯ ТРЕХ ЭТАПОВ ТЕЧЕНИЯ
И Кильдибаева С. Р., Харисов Э. И.
Стерлитамакский филиал Уфимского университета науки и технологий, Стерлитамак, Россия
E-mail: [email protected]
В статье рассматривается процесс образования гидратных оболочек на поверхности газовых пузырьков при миграции, вызванной техногенной глубоководной утечкой. Описана динамика течения углеводородов (капель нефти и пузырьков газа) для трех этапов течения: турбулентная струя, плавучий шлейф, стадия адвекции-диффузии. Процесс образования гидратов описан двумя предельными схемами. Построена математическая модель, описывающая динамику миграции углеводородов и гидратообразование на поверхности пузырьков. В результате вычислительных экспериментов определены основные теплофизические зависимости течения, динамика роста гидратной оболочки на поверхности пузырьков.
Ключевые слова: газовые гидраты, миграция газогидратных пузырьков, аварийный разлив.
DYNAMICS OF FORMATION OF HYDRATE SHELLS ON THE SURFACE OF BUBBLES FOR THREE STAGES OF FLOW
И Kildibaeva S. R., Kharisov E. I.
Sterlitamak branch of Ufa University of Science and Technology, SB UUST, Sterlitamak, Russia
The article considers the process of formation of hydrate shells on the surface of gas bubbles during migration caused by man-made deep-sea leakage. The dynamics of the flow of hydrocarbons (oil droplets and gas bubbles) for three stages of the flow is described in detail: a turbulent jet, a floating plume, and an advection-diffusion stage. The process of hydrate formation is described by two limiting schemes. A mathematical model describing the dynamics of hydrocarbon migration and hydrate formation on the surface of bubbles is constructed. As a result of computational experiments, the main thermophysical dependences of the flow and the dynamics of the growth of the hydrate shell on the surface of the bubbles were determined.
Key words: gas hydrates, migration of gas hydrate bubbles, emergency spill.
Введение. Глубоководные нефтегазовые разливы могут возникать в результате техногенных аварий, например, как в случае разлива в Мексиканском заливе [1]. Такие течения углеводородов состоят из капель нефти, пузырьков природного газа, а также небольшого процента примесей. Пузырьки газа, мигрируя в условиях стабильного существования гидрата, покрываются гидратной оболочкой, переходя сначала в состояние композитного пузырька, а затем — гидрат-ного пузырька. Для описания процесса гидратообразования приняты две предельные схемы: согласно первой схеме гидратообразование лимитируется диффузией метана через гидратную оболочку, согласно второй схеме гидратообразование лимитируется теплообменом с окружающей средой.
Математическая модель. Миграция пузырьков природного газа происходит в три этапа. Первые два этапа (турбулентная струя и плавучий шлейф): пузырьки мигрируют совместно с каплями нефти и вовлеченной водой. Для описания процесса миграции используется интегральный Лагранжевый метод контрольного объема [2, 3]. После достижения капель и пузырьков нейтрального уровня плавучести начинается третий этап течения (стадия адвекции-диффузии). Для описания миграции пузырьков на этом этапе используются уравнения сохранения масс и импульсов, а также дополнительные уравнения, описывающие интенсивность гидратообразования. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало, что первая схема описывает процесс гидратообразования точнее. На рисунке представлена зависимость массы образовавшегося гидрата от вертикальной координаты для схемы ги-дратообразования, лимитирующегося диффузией. Процесс образования гидрата завершается в связи с тем, что весь газ внутри пузырьков переходит в гидратное состояние.
Результаты. В результате работы построена математическая модель миграции пузырьков газа в условиях стабильного существования гидрата. Для исходных параметров, соответствующих параметрам разлива углеводородов, получены зависимости массы образовавшегося гидрата, динамика изменения радиусов газовой и гидратной составляющих для гидратного пузырька.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-10227, https:// rscf.ru/project/21-79-10227/.
Список литературы
1. Fleeger J. W., Riggio M. R., Mendelssohn I. A., Lin Q., Houc A., Deis D. R. Recovery of saltmarsh meiofauna six years after the Deepwater Horizon oil spill // Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 2018. Vol. 502. P. 182-190.
2. Yapa P. D., Li Z. Simulation of oil spills from underwater accidents I: Model development // Journal of Hydraulic Research. 1997. Vol. 35, N 5. P. 673-688.
3. Кильдибаева С. Р., Гималтдинов И. К. Динамика многофазной затопленной струи с учетом образования гидратов // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2015. Т. 1, № 3. С. 92-101.
References
1. Fleeger J. W., Riggio M. R., Mendelssohn I. A., Lin Q., Houc A., Deis D. R. Recovery of saltmarsh meiofauna six years after the Deepwater Horizon oil spill // Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 2018. Vol. 502. P. 182-190.
2. Yapa P. D., Li Z. Simulation of oil spills from underwater accidents I: Model development // Journal of Hydraulic Research. 1997. Vol. 35, N 5. P. 673-688.
3. Kil'dibaeva S. R., Gimaltdinov I. K. Dinamika mnogofaznoj zatoplennoj strui s uchetom obrazovaniya gidratov // Vestnik Tyumenskogo gosudarstvennogo universiteta. Fiziko-matematicheskoe modelirovanie. Neft', gaz, energetika. 2015. Vol. 1, N 3. S. 92-101.
Зависимость массы образовавшегося гидрата от вертикальной координаты
