Образование газовых гидратов в пористых структурах в настоящий момент имеет широкие промышленные перспективы, связанные, в первую очередь, с возможностью хранения газа в гидратном состоянии. Одним из важных свойств газогидратов является то, что при одинаковых условиях в единице объема в гидратном состоянии содержится значительно больше газа, чем в свободном состоянии. Данное свойство позволило во второй половине 20-го века выдвинуть идею хранения природного газа в гидратном состоянии, позволяющего значительно увеличить емкость подземных резервуаров для хранения углеводородных газов, предназначенных для выравнивания сезонных колебаний потребления газа в промышленных центрах. В 2006 году группой голландских исследователей в связи с угрозой глобального потепления была предложена идея подземной газогидратной консервации парниковых газов, которая обеспечивает высокий уровень безопасности хранения и не требует больших энергетических затрат. Как показывают эксперименты по получению гидрата в лабораторных условиях, технологическое производство гидрата, сталкивается со значительными трудностями, и, в первую очередь, с чрезвычайно большими временными масштабами протекания процесса. Это обусловлено тем, что в самом начале процесса образования гидрата, на поверхности воды возникает гидратная корка, которая, как правило, имеет крайне низкую проницаемость для газа. Одним из перспективных способов решения данной проблемы, предлагаемых в настоящей работе, является синтез газогидрата в пористой среде, поскольку в такой среде за счет огромной поверхности контакта газа и воды достигается малая толщина водогидратного слоя.
Целями настоящего исследования являются:
- математическое исследование воздействия на насыщенные газом и водой пористые среды посредством инжекции холодного газа;
- анализ влияния различных параметров, определяющих состояние пористой среды, а также интенсивности воздействия на динамику гидродинамических и температурных полей в пористой структуре;
- определение наиболее выгодных режимов консервации газа при разработке способов его в газогидратном состоянии в пористых средах.
Математическое моделирование и численные эксперименты проведены в соответствии с современными методами исследования многофазных систем. Исследование включает создание теоретических моделей рассматриваемых процессов на основе системы дифференциальных уравнений механики гетерогенных систем; разработку алгоритмов численного моделирования; численные расчеты и анализ результатов.
В настоящей работе, во-первых, исследована задача об образовании газогидрата в диффузионном режиме, при котором скорость через твердую гидратную пленку, разделяющую газ и воду. Получено выражение для характерного времени полного перехода воды в гидратное состояние и сделана оценка для характерных размеров пористого образца, в котором скорость гидратообразования лимитируется кинетикой процесса.
Во-вторых, решена задача об образовании гидратов в пористой среде при закачке холодного газа, когда интенсивность образования гидрата лимитируется отводом скрытой теплоты гидратообразования. Построены аналитические решения для задач, как с фронтальными, так и с объективными зонами образования гидратов, получены условия существования данных решений. Установлены основные закономерности образования газогидратов в пористых пластах при инжекции холодного газа в зависимости от интенсивности воздействия и исходных параметров пористой среды. Показано, что при инжекции холодного газа в пористую среду, насыщенную газом и водой, образование гидрата может происходить как на фронтальной поверхности, так и в протяженной области. Режим с фронтальной поверхностью образования гидрата характерен для низкопроницаемых пористых сред с низким пластовым давлением и высокой начальной температурой. Установлено, что в случае объемного образования гидрата, большая протяженность области гидратообразования реализуется в высокопроницаемых пористых средах с высоким исходным давлением и низкой начальной температурой, а также при большей интенсивности инжекции газа в пласт. Возникновение объемной области образования гидрата сопровождается нагревом пласта выше исходной температуры даже при инжекции холодного газа, при этом величина нагрева увеличивается с повышением интенсивности нагнетания газа.