CC BY
0DOI: 10.24412М -37269-2024-1-179-182
СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ ПРИ НАГНЕТАНИИ ПРИРОДНОГО И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗОВ В ПОДМЕРЗЛОТНЫЙ ВОДОНАСЫЩЕННЫЙ КОЛЛЕКТОР
Рожин И.И.1, Иванов Г.И.2
1 Институт проблем нефти и газа СО РАН, Якутский научный центр СО РАН, Якутск 2 Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, Якутск
В работе проведено сравнение результатов численного расчета динамик распределения температуры, давления, водонасыщенности и гидратонасыщенности при нагнетании природного и углекислого газов через одиночную скважину в водоносный горизонт под много-летнемерзлыми горными породами с целью изучения возможности подземного хранения этих газов в виде гидратов.
В северных регионах, характеризующихся наличием многолетней мерзлоты, имеются термодинамические предпосылки для хранения газа в гидратном состоянии [1-6] в подмерз-лотных водоносных горизонтах, т. е. в твердой фазе, которая образуется при закачке газа в пористые коллекторы при определенных термодинамических условиях (при определенных соотношениях между температурой и давлением, зависящих от компонентного состава газа, типа и минерализации пластовых вод) из воды (водного раствора, льда, водяных паров) и низкомолекулярных газов. Преимущества такого способа хранения заключаются в большей компактности и стабильности хранилища, т. к. газ в гидратном состоянии занимает гораздо меньший объем, чем в свободном состоянии при тех же температуре и давлении (в одном объеме гидрата может содержаться до 170 объемов газа), и кроме того, при переходе в гидратное состояние связывается свободная пластовая вода. Следовательно, создание таких хранилищ газа будет способствовать многократному снижению объема хранилищ и повышению их стабильности по сравнению с обычными подземными хранилищами, а подошва многолетнемерзлых пород будет служить естественным непроницаемым для газа экраном. Более того, небольшая глубина таких хранилищ позволит существенно снизить затраты на их сооружение. Следует также отметить, что увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, вызванное антропогенной деятельностью, негативно сказывается на биосфере Земли и одним из важных направлений подземного хранения газа является захоронение диоксида углерода в пористых коллекторах в газогидратном состоянии.
Настоящая работа является продолжением исследований по математическому моделированию подземного хранения природного газа (ПГ) [7] и диоксида углерода (СО2) [8] в гид-ратном состоянии. При этом используется метод оценки возможности подземного хранения газа в гидратном состоянии в подходящих с геологической точки зрения подмерзлотных водоносных горизонтах, изложенный в статьях [9-12]. Тем самым, здесь не приводится математическая модель образования гидрата при нагнетании газа в насыщенный газом и водой пласт, а также алгоритм её численной реализации. Для проведения вычислительных экспериментов использованы результаты расчетных и лабораторных экспериментов по определению равновесных условий образования гидратов ПГ и СО2 в свободном объеме и поровом пространстве дисперсных сред и водных растворах, имитирующих пластовые воды подмерзлотных горизонтов [13, 14].
Ниже представлены некоторые результаты в случаях закачки ПГ и СО2 в выбранный пласт с пористостью 0.15 и коэффициентом проницаемости 8-10-13 м2. В начальный момент времени пластовые условия приняты одинаковыми: температура - 274.15 К, давление -3 МПа, водонасыщенность - 0.9. Время нагнетания газа с температурой 279.15 К составляло 100 сут; радиус нагнетательной скважины - 0.1 м, радиус контура пласта - 300.1 м. В исходных данных кроме различия физических свойств газов и их гидратов, следует отметить, что
равновесные условия гидратообразования СО2 смещены относительно условий образования гидратов ПГ в область более высоких давлений и низких температур для системы «газ+вода» (рис. 1а, в свободном объеме), а для систем «газ+песок+вода», «газ+песок+0.25% NaHCOз»; «газ+песок+2% №НСОз» (рис. 1б-1г, в поровом пространстве) - наоборот, в область более низких давлений и высоких температур. Так как образование гидратов в пористых средах, насыщенных водой и газом, имеет свои особенности из-за взаимодействия воды, содержащейся в порах, с частицами дисперсной породы. К числу факторов, влияющих на равновесные условия гидратообразования, помимо состава газа и минерализации поровой воды, относятся минералогический состав, дисперсность и влагосодержание горной породы. Видно, что в начальный момент времени газы для всех систем находятся в гидратном состоянии, т. е. точки 3 расположены в областях гидратообразования.
274 276 278 280 282 284 274 276 278 280 282 284
Рис. 1. Равновесная кривая гидратообразования для ПГ (кривые 1) и СО2 (кривые 2) для систем: а - «газ+вода»; б - «газ+песок+вода»; в - «газ+песок+0.25% NaHCO3»; г - «газ+песок+2% NaHCO3».
Начальные пластовые условия (точка 3)
Сравнение результатов для системы «газ+вода» [8], т. е. при равновесных условиях гид-ратообразования в свободном объеме, показало, что в случае закачки СО2 пласт нагревается меньше в основном из-за отличия эмпирических констант а1 и а2, входящих в зависимость равновесной температуры гидратообразования от давления. Поля давления и водонасыщенно-сти практически совпадают, но для случая СО2 давление немного меньше, а водонасыщен-ность - немного больше. За небольшое время температура, давление и гидратонасыщенность существенно возрастают в призабойной зоне, где часть воды переходит в гидрат, а остальная часть вместе с нагнетаемым газом движется по пласту. Гидратонасыщенность монотонно возрастает по площади газохранилища и в конце процесса закачки СО2 она больше, чем в случае ПГ. Профили полей давления и гидратонасыщенности почти идентичны, т. е. для образования гидратов основной движущей силой является давление.
Полностью противоположная картина получается при использовании равновесных условий гидратообразования в поровом пространстве. На рис. 2 представлено сопоставление результатов расчета динамик распределения температуры Т, давления р, водонасыщенности о и гидратонасыщенности V для системы «газ+песок+вода». Видно, что в случае закачки СО2 температура и давление в пласте будут больше, чем в случае ПГ (рис. 2а, 26). В призабойной
зоне скважины (при г = 0.1 м) гидратонасыщенность больше для ПГ (рис. 2г), а к концу процесса нагнетания (при t = 100 сут) в этой зоне насыщение гидратами становится больше для СО2 (утах = 0.19), тогда как для ПГ (утах = 0.076). В целом, гидратонасыщенность по всему пласту немного больше в конце закачки ПГ, чем в случае СО2. В ходе проведения серии вычислительных экспериментов получено, что с ростом темпа нагнетания газов параметры Т, р и V увеличиваются, а а уменьшается. Полной закупорки пор в призабойной зоне не происходит. В случае минерализованной пластовой воды насыщение гидратами больше для СО2.
Рис. 2. Поле температуры (а), давления (б), водо- (в) и гидратонасыщенности (г) при расходе нагнетания газа 1 м3/с для системы «газ + песок + вода»: поверхности 1 - ПГ; 2 - СО2
Работа выполнена в рамках госзадания Минобрнауки РФ (Рег. № 122011100157-5).
Литература
1. Макогон Ю.Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование. М.: Недра, 1985. 232 с.
2. Бык С.Ш., Макогон Ю.Ф., Фомина В.И. Газовые гидраты. М.: Химия, 1980. 296 с.
3. Истомин В.А. Физико-химические исследования газовых гидратов: проблемы и перспективы. М.: ТРЦ Газпром, 2000. 71 с.
4. Swinkels W.J.A.M., Drenth R.J.J. Thermal reservoir simulation model of production from naturally occurring gas hydrate accumulations // SPE Reservoir Evaluation and Engineering. 2000. Vol. 3, Issue 6. - P. 559-566. - DOI: 10.2118/68213-PA.
5. Sun X., Mohanty K.K. Kinetic simulation of methane hydrate formation and dissociation in porous media // Chemical Engineering Science. 2006. Vol. 61, No. 1. P. 3476-3495. -DOI: 10.1016/j.ces.2005.12.017.
6. Uddin M., Coombe D.A., Law D.A., Gunter W.D. Numerical studies of gas-hydrates formation and decomposition in a geological reservoir // Journal of Energy Resources Technology. 2008. Vol. 130, No. 3. 032501. - 14 p. - DOI: 10.101115/1.2956978.
7. Рожин И.И., Иванов Г.И. Моделирование образования гидратов при нагнетании газа в подмерзлотный водонасыщенный коллектор с учетом данных лабораторных экспериментов по равновесным условиям гидратообразования в свободном объеме и пористой среде
// EURASTRENCOLD-2023: Сб. трудов XI Евразийского симпозиума по проблемам прочности и ресурса в условиях климатически низких температур, посвященного 85-летию со дня рождения академика В.П. Ларионова, Киров: Межрегиональный центр инновационных технологий в образовании, 2023. - С. 525-530.
8. Рожин И.И., Иванов Г.И. Численное моделирование гидратообразования при нагнетании углекислого газа в подмерзлотный водоносный пласт // Актуальные вопросы теплофизики, энергетики и гидрогазодинамики в арктических и субарктических территориях (ТЭ-ГУА-2023): Сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки РСФСР и ЯАССР, д.т.н., профессора Н.С. Иванова. Якутск: Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, 2023. - С. 111-113.
9. Bondarev EA., Rozhin I.I., Popov V.V., Argunova К.К. Mathematical modeling of natural gas underground storage in hydrate state // SOCAR Proceedings. 2015. No. 2. - P. 54-67. -DOI: 10.5510/OGP20150200243.
10. Бондарев Э.А., Рожин И.И., Попов В.В., Аргунова К.К. Оценка возможности подземного хранения гидратов природного газа в зоне многолетней мерзлоты // Криосфера Земли. 2015. Т. XIX, № 4. - С. 64-74.
11. Bondarev E.A., Rozhin I.I., Popov V.V., Argunova K.K. Underground storage of natural gas in hydrate state: primary injection stage // Journal of Engineering Thermophysics. 2018. Vol. 27, No. 2. - P. 221-231. - DOI: 10.1134/S181023281802008X.
12. Рожин И.И., Аргунова К.К. Моделирование подземного хранения природного газа в гидратном состоянии в подмерзлотных водоносных горизонтах // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. Серия: Науки о Земле. 2022. № 2(26). -С. 10-21. - DOI: 10.25587/SVFU.2022.26.2.002.
13. Kalacheva L.P., Ivanova I.K., Portnyagin A.S., Rozhin I.I., Argunova K.K., Niko-laev A.I. Determination of the lower boundaries of the natural gas hydrates stability zone in the sub-permafrost horizons of the Yakut arch of the Vilyui syneclise, saturated with bicarbonate-sodium type waters // SOCAR Proceedings. 2021. Special issue 2. - P. 001-011. -DOI: 10.5510/OGP2021SI200549.
14. Калачева Л.П., Иванова И.К., Портнягин А.С., Иванов В.К., Аргунова К.К., Бубнова А.Р. Оценка возможности захоронения углекислого газа в гидратном состоянии в под-мерзлотных водоносных горизонтах Вилюйской синеклизы // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2023. Т. 18, № 4. http://www.ngtp.ru/rub/2023/43_2023.html. - 18 с.
