Определение интервала гидратообразования в скважинах, пробуренных в многолетнемерзлых породах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕРВАЛА ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ

Полученные результаты исследований являются методической основой и исходной базой для обоснования безопасных параметров конструктивных элементов мобильных геотехнологий разработки рудных месторождений с использованием льдопородной закладки.

Литература

1. Необутов Г.П. Подземная добыча руды с использованием льдопородной закладки на месторождении Бадран в Якутии [Текст]/ Необутов Г.П., Зуб-

ков В.П., Мамонов А.Ф.П Горный информ.-аналит. бюллетень.-2001.-№10.-С. 71-74.

2. Карташов Ю.М. Методы, аппаратура и результаты лабораторных и шахтных исследований горных пород в запредельной области деформирования [Текст]/ Карташов Ю.М., Николайчук Н.А., Мансуров В.А. - М.: Изд-во ЦНИЭИуголь, 1978. -112 с.

3. Методические указания по использованию теории предельного равновесия для решения задач горного давления [Текст] / Мин-во угольной пром-сти СССР. Всесоюзный науч.-исслед. ин-т горной геомеханики и маркшейдерского дела «ВНИМИ». - Л., 1974. -100 с.

УДК 532:51

Определение интервала гидратообразования в скважинах, пробуренных в многолетнемерзлых породах*

К.К. Аргунова, Э.А. Бондарев, И.И. Рожин

Предложен подход к определению положения и размеров гидратных пробок в газовых скважинах. Он основан на математической модели стационарного неизотермического течения реального газа в трубах и алгоритме вычисления равновесных условий образования гидратов по известному составу газовой смеси.

An approach to predictions ofposition and size of hydrate plugs inside tubes of gas wells has been proposed. It is based on the mathematical model of steady non-isothermal flow of real gas in tubes and an algorithm of calculation of equilibrium conditions of hydrate formation.

Анализ факторов, определяющих надежность подачи газа потребителям, расположенным в зоне многолетней мерзлоты, показал, что первым слабым звеном технологической цепочки является сама скважина и примыкающая к ней приза-бойная зона газоносного пласта. Именно здесь происходит интенсивное охлаждение газа за счет дросселирования при снижении давления и за счет теплообмена с окружающими скважину многолетнемерзлыми горными породами. Так как многие месторождения имеют достаточно высокие пластовые давления, то при этом возникает опасность образования газовых гидратов непосредственно в стволе скважин, что может

АРГУНОВА Кира Константиновна - к.ф.-м.н., : н.с. ИПНГ СО РАН; БОНДАРЕВ Эдуард Антонович д.т.н., проф., г.н.с. ИПНГ СО РАН; РОЖИН Игорь •'занович - к.ф.-м.н., с.н.с. ИПНГ СО РАН.

* Работа выполнена при частичной под держке гранта РФФИ №06-01-96004.

привести либо к снижению их пропускной способности, либо к их полной закупорке. Опасность закупорки скважин газовыми гидратами возникает и при их остановке из-за низкой температуры окружающих горных пород.

Для предупреждения образования гидратов в скважинах необходимо создать такой режим отбора газа, при котором его температура будет выше равновесной температуры гидратообразования. В этой связи существенный интерес представляет изучение возможностей управления температурой газа без изменения конструктивных параметров скважин. Такая возможность основана на следующих особенностях температурного режима газовых скважин, на который влияют два фактора; внешний теплообмен и внутренние диссипативные термодинамические процессы, являющиеся следствием несовершенства газа. Оценим влияние каждого из этих факторов отдельно в зависимости от массового рас-

АРГУНОВА, БОНДАРЕВ, РОЖИН

хода. Рассмотрим температуру в фиксированном сечении скважины х = х\ при двух расходах М> > М\ и двух входных температурах Г0' >Те и Г02 < Те (где Те - температура окружающей среды). Если газ идеален, то увеличение расхода при Г0' > Те ведет к увеличению температуры в сечении х = Х\, а при Г02 <Те - к ее уменьшению. Влияние фактора диссипативности в зависимости от расхода можно оценить, моделируя движение реального газа в теплоизолированной трубе. Для всех реальных случаев увеличение массового расхода ведет к понижению температуры в фиксированном сечении. Следовательно, при Го > Те увеличение массового расхода приводит к двум противоположным тенденциям: с одной стороны, температура газа увеличивается за счет уменьшения теплообмена, а с другой -уменьшается за счет дросселирования. При малых расходах преобладает первая тенденция, при больших - вторая. Если построить график изменения температуры в фиксированном сечении от расхода, то он будет иметь максимум при некотором его оптимальном значении М*.

Для количественной оценки воспользуемся математической моделью стационарного течения газа в трубах, выведенной в монографии [1], где было показано, что при нормальной (безаварийной) эксплуатации скважин скорость движения газа много меньше скорости звука. Например, при массовом расходе 10 кг/с и глубине скважины 3000 м она составляет примерно 5 м/с. Это позволяет свести уравнения движения и энергии к виду:

ф . ^пу/М1

= — у , (1)

ах Аро)'

ск сЬс срМ ср

(2)

где р - плотность газа; ср - удельная теплоемкость газа; g - гравитационное ускорение; со, И -поперечное сечение и диаметр трубы; х - координата вдоль оси трубы; р - давление; (р - угол наклона трубы, отсчитываемый от фиксированной горизонтальной плоскости; ц/ - коэффициент гидравлического сопротивления; Т- температура газа; а - суммарный коэффициент теплопередачи; М=рсоу - массовый расход газа, являющийся константой.

Плотность связана с давлением и температурой уравнением состояния Р

а коэффициент дросселирования е определяется

формулой £ = ^ ; коэффициент несовер-срр дТ

шенства газа г является эмпирической функцией давления и температуры; Я - газовая постоянная.

Как указывалось выше, одна из возможностей регулирования температуры газа в скважине основана на ее немонотонной зависимости от массового расхода. Подчеркнем, аналогичная зависимость от дебита, т.е. от объемного расхода, уже не будет обладать такой особенностью. Это объясняется структурой уравнения (2). Действительно, если перебросить второе слагаемое слева в правую часть уравнения и обратить внимание на зависимость градиента давления от расхода, то выясняется, что интенсивность внешнего теплообмена газа с окружающей средой (первое слагаемое в правой части (2)) обратно пропорциональна массовому расходу, тогда как интенсивность дросселирования прямо пропорциональна квадрату этой величины. Таким образом, для определения возможностей регулирования температуры газа следует в вычислительном эксперименте определить ее зависимость от величины М.

Начальные условия для системы уравнений (1)-(2) сформулируем в виде:

Р(0)=Ро, ДО) = Т0. (4)

В случае использования в качестве уравнения состояния уравнения Бертло коэффициент

■г = \ + к2.[\-±_\ где Ъ = бйГ, к = 0,07^,

П Т2) Т02 РсТ0

Тс, рс - критические температура и давление, зависящие от состава природного газа.

В начале рассмотрим возможности управления температурным режимом скважин. В качестве объектов изучения выбираем скважины Сред-не-Вилюйского и Иреляхского месторождений, а для определения условий термодинамического равновесия по составу газа приняты результаты хроматографического анализа проб газа, представленные в таблице. Эти данные использовались также для расчета критических параметров по формуле Хенкинсона [2].

В первом случае расчеты выполнялись при следующих значениях основных параметров: а = 5,82 Вт/(м2-К); И = 0,1 м; р0 = 240 • 105 Н/м2; То = 323 К; Л = 520 Дж/(кгК); ср = 2300 Дж/(кгК); Тс = 185,7 К; рс = 45,7 • 105 Н/м2; у/ = 0,02; Тл = 328 К; Г = 0,0256 К/м; Ь = 2550 м;

Р =

гКГ

(3)

т, =

Т„п - ГХ,

0 < х < 2298

271,15 К, 2298<х<2550

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕРВАЛА ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ Химический состав пластовых газов (% мол.)

Иреляхское месторождение Средне-Вилюйское месторождение (горизонт Т1-Ш)

Год 2001 2005 1968 1989 1992 1994 1995 2005

СН4 86.06 82.811 90.34 89.13 88.42 88,71 89,38 88,49

С:Н6 3.75 3.838 4.98 4.95 5,65 5,45 5,83 5,84

СзНв 1.40 1.470 1.74 1.84 2,28 2,14 2,04 2,25

1-С4Н8 - 0.007 - - - - - -

1-С^Н К! - 2.552 0.22 0.32 0,41 0,36 0,32 0,48

п-С4Ню 0.59 0.449 0.41 0.43 0,61 0,46 0,42 0,73

0.49 0.139 1,55 1,33 1,78 1,31 1,36 0,26

п-СЛ,2 0,157 0,25

СбНы 0.005 0,39

С-Н16 - 0,39

СчН,я - 0,14

С?Н?о - 0,13

С10Н22 - 0,11

со2 0.03 0.004 0,28 0,73 0,26 0,15 0.16 0,02

N2 7.62 8.309 0,48 1,27 0,57 1,42 0,49 0,51

Не - - - - 0,02 - - 0,01

О, 0.06 0.259 - - - - - -

Всего 100 100 100 100 100 100 100 100

105

45,7 ■ 105 Н/м2

Н/м2; Г0 = Г =

Во втором случае: р0 = 100 285,15 К; Тс = 195,2 К; р, 0.008 К/м; X = 1900 м; Те0 = 287,15 К при него менных значениях остальных параметров.

Т

096

Вычисленные зависимости температуры и давления газа на устье скважины от массового расхода для этих двух вариантов приведены на рис. 1-2.

054

051

0 89

0 86

084

1 2 \ \ ■,

1

/ / / \

/ / 1 / I / / \

10 М,кг/с

Рис. 1. Зависимость температуры газа на устье скважины от массового расхода (цифры у кривых соответствуют номерам вариантов расчета)

Рис. 2. Зависимость давления газа на устье скважины от массового расхода (цифры у кривых соответствуют номерам вариантов расчета)

Прежде всего нужно сказать, что немонотонные зависимости температуры и давления газа на устье от массового расхода получены только для Средне-Вилюйского месторождения. Для Ире-ляхского месторождения и температура и давление монотонно убывают с ростом этого параметра, что объясняется достаточно низкими пластовыми температурами и давлениями. Последний фактор приводит к существенному охлаждению газа за счет дросселирования, так как при понижении давления коэффициент Джоуля-Томсона возрастает.

Особо следует отметить, что оптимальный режим отбора газа, обеспечивающий минимальные потери давления, соответствует гораздо меньшему значению массового расхода, чем в случае режима с минимальными тепловыми потерями.

Для определения опасности образования гидратов в стволе скважин можно использовать следующий прием, который был предложен в работе [3] для простаивающих скважин. На равновесную кривую образования гидратов, построенную по результатам вычислений или по дан-

ным лабораторных экспериментов, наносится зависимость между давлением и температурой, полученная путем решения задачи (1)-{4). По температуре, соответствующей точке пересечения этих двух кривых, определяется координата х, выше которой газ будет охлажден ниже равновесной температуры образования гидратов. Пример использования этой методики приведен на рис. 3—4 (массовый расход соответствует оптимальной температуре газа для первого варианта расчета) и на рис. 5-6 (тот же массовый расход для второго варианта расчета).

В первом варианте равновесная кривая вычислялась по известному составу газа для скважин Средне-Вилюйского месторождения (последняя колонка в таблице, так как предварительные расчеты показали, что условия термодинамического равновесия здесь мало изменились со временем), во втором - строилась по результатам обработки лабораторных экспериментов, выполненным для газа Иреляхского месторождения (первая колонка в таблице), а затем пере-считывалась для учета засоленности пластовой воды по методике [4].

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕРВАЛА ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ

Р, атм 300

180

120

299 045;

!

770 281 292 303 314 325 Т, К

Рис. 3. Пересечение расчетной равновесной кривой гидратообразования (пунктир) и расчетной связи между давлением и температурой газа в скважине для М = 5.5 кг/с (Средне-Вилюйское месторождение). Вертикальный пунктир соответствует температуре в точке пересечения этих кривых

т/т0 1

0.95

0.9

0.85

0. 753

0.2

1 х

Рис. 4. Зависимость температуры от глубины скважины (безразмерные величины) для М= 5,5 кг/с. Область правее вертикальной пунктирной линии соответствует зоне возможного образования гидратных пробок

Р, атм

100

28 .23 ✓ /* *

У У • /

* * * /

— т «л» * * • • уЛ

ТГ- ——'

280 283 286 289 292 295 Т, К

Рис. 5. То же. что на рис. 3 для Иреляхского месторождения (точки - экспериментальные данные, сплошная кривая - результат их обработки, пунктир - расчетная связь между давлением и температурой газа в скважине, штрих-пунктир - равновесная кривая с учетом солености пластовой воды с молярной концентрацией 0.07. что соответствует 200 г/л)

АРГУНОВА, БОНДАРЕВ, РОЖИН

Из представленных данных следует, что на тех участках скважин, где глубина изменяется от О до (1 - 0,753) • 2550 = 630 м (рис. 4) и до (1 -0,28) • 1900 = 1368 м (рис. 6), температура газа будет ниже равновесной температуры образования гидратов. Следует обратить внимание на то, что интервалы, в которых могут образовываться гидратные пробки, значительно превышают глубину многолетней мерзлоты (252 м для Сред-не-Вилюйского месторождения).

В заключение приведем рис. 7, иллюстрирующий влияние солености пластовых вод на

равновесные условия образования гидратов для Иреляхского месторождения. Видно, что молярная концентрация поваренной соли х = 0,1, что соответствует весовой концентрации С = 27%, предотвращает образование гидратов даже при температуре газа 273,15 К. Однако при меньшей концентрации соли эта опасность существует, о чем свидетельствуют кривые на рис. 5.

Приведенные примеры наглядно демонстрируют возможности математического моделирования и, в частности, вычислительного экспе-

т/т0 1

0.95

0.9

0.85

0.2313

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 х

Рис. 6. То же. что на рис. 4 для Иреляхского месторождения

Т. К

285.15

282.75 2803:3

277.95

275.55 273 15

Р. атм

0.12

0.1 —

0.08 —

X 0.06

0.04

0.02

Рис. 7. Зависимость равновесных условий образования гидратов от солености пластовой воды для Иреляхского месторождения

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

римента для решения актуальных задач повышения надежности систем добычи газа в северных регионах.

Литература

1. Термогидродинамика систем добычи и транспорта газа / Бондарев Э.А., Васильев В.И., Воеводин Л.Ф. и др. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. - 272 с.

2. Гуревич Г.Р., Брусшовский А.И. Справочное пособие по расчету фазового состояния и свойств газо-конденсатных смесей. - М.: Недра, 1984. - 264 с.

3. Аргунова К.К., Бондарев Э.А. Регулирование работы газовых скважин: возможности математического моделирования // Наука и образование. - 2005. - №1. - С. 41-45.

4. Истомин В.А., Квон В.Г. Предупреждение и ликвидация газовых гидратов в системах добычи газа. -М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004. - 506 с.

♦>

УДК 665.7.032.54/56

Теоретические предпосылки интенсификации производства буроугольных адсорбентов посредством использования электромагнитного излучения

О.С. Данилов

Рассмотрены теоретические предпосылки использования электромагнитного воздействия микроволнового диапазона и его эффективность для интенсификации производства буроугольных адсорбентов.

Theoretical premises of use of electromagnetic action of a microwave range and its efficiency for intensification ofproduction of adsorbents from brown coal are considered.

В настоящее время, как за рубежом, так и в России, уделяется все большее внимание вопро-:ам повышения рентабельности горнодобывающих предприятий за счет более комплексного использования сырьевой базы и повышения потребительской стоимости продукции.

Использование бурого угля в качестве сырья обусловлено, с одной стороны, его громадными запасами, а с другой, тем, что во многих случаях он добывается наиболее дешевым открытым способом, что предопределяет эффективность его использования. Однако он отличается низкой теплотой сгорания и высокими показателями по содержанию влаги, что нивелирует экономические преимущества и сдерживает увеличение добычи. Поэтому наиболее полно и выгодно раскрыть сырьевой ресурс бурых углей можно посредством применения комплексной технологии переработки. Это обосновано тем, что, во-

ДАНИЛОВ Олег Сергеевич - аспирант ИГДС СО РАН.

первых, происходит увеличение ассортимента товарной продукции, а во-вторых, конечный продукт получает добавочную стоимость и реализуется по более высокой цене, чем исходное сырье.

Одним из способов переработки бурых углей является важнейшее направление рационального использования сырья - их термохимическая переработка. Данная технология называется классической и включает в себя два процесса: 1) карбонизацию - термическую обработку исходного сырья без доступа воздуха; 2) активацию - окисление полученного карбонизата (науглероженного угля) посредством определенных газовых агентов, как правило, водяного пара [1]. Основным продуктом выступает активный уголь (адсорбент) - высокопористое углеродное тело, главное назначение которого заключается в концентрировании вредных примесей, находящихся в обрабатываемой среде в объеме сорбирующих пор. Эффективное удаление этих примесей в условиях,