vfuzemlВестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. Vestnik of North-Eastern Federal University. Серия «Науки о Земле». Earth SciencesVestnik of North-Eastern Federal University Series "Earth Sciences"2587-8751Северо-Восточный федеральный университет имени М.К.Аммосова10.25587/SVFU.2022.26.2.002vfuzeml-118Research ArticleПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯAPPLIED RESEARCHМоделирование подземного хранения природного газа в гидратном состоянии в подмерзлотных водоносных горизонтахModeling natural gas underground storage in the hydrated state in permafrost aquifersРожинИ. И.RozhinI. I.

РОЖИН Игорь Иванович – д.т.н., доцент, г.н.с.

г. Якутск

ROZHIN Igor Ivanovich – Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Chief Researcher

Yakutsk

i_rozhin@mail.ruАргуноваК. К.ArgunovaK. K.

АРГУНОВА Кира Константиновна – к.ф.-м.н., с.н.с.

г. Якутск

ARGUNOVA Kira Konstantinovna – Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior Researcher

Yakutsk

a_kira@mail.ruИнститут проблем нефти и газа СО РАН, Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр СО РАН»РоссияInstitute of Oil and Gas Problems SB RAS, Federal Research Center «Yakut Scientific Center SB RAS»Russian Federation202228072022021021Copyright © Рожин И.И., Аргунова К.К., 20222022Рожин И.И., Аргунова К.К.Rozhin I.I., Argunova K.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vnzsvfu.ru/jour/article/view/118

В работе приведены результаты вычислительного эксперимента, направленного на получение критериев выбора геологических структур для создания подземного хранилища природного газа в гидратном состоянии в подмерзлотных водоносных горизонтах. Преимущества такого способа подземного хранения газа 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. Представлена математическая модель закачки газа через одиночную скважину в горизонтальный водоносный пласт, в которой учтены все основные физические и термодинамические особенности процесса гидратообразования, в том числе сжимаемость газа, эффект Джоуля-Томсона, адиабатическое расширение, неизотермическая фильтрация воды и газа, массообмен между газом, водой и гидратом. С помощью этой модели оценивается динамика распределения гидратонасыщенности, водонасыщенности, давления и температуры в водоносном пласте при различных значениях интенсивности закачки газа и фильтрационно-емкостных свойств пласта. Кроме пористости и проницаемости выбранный пласт (истощенный газовый или водоносный) характеризуется начальными значениями давления, температуры и водонасыщенности. Варьируемыми параметрами являются пористость пласта и объемный расход нагнетаемого газа. Результаты расчетов показали, что для создания подземных хранилищ газа в гидратном состоянии следует выбирать водоносные горизонты в зависимости от их коллекторских свойств и гидродинамических характеристик. В дальнейших исследованиях необходимо оценить тепловое взаимодействие таких хранилищ с окружающими горными породами. Для этого предложенную математическую модель следует обобщить в двумерной постановке. Полученные результаты и математическая модель могут быть использованы при разработке научных основ технологии подземного хранения не только природного газа, но и попутного нефтяного газа, а также парниковых и токсичных газов в гидратном состоянии.

The paper presents the results of a computational experiment aimed at obtaining criteria for the selection of geological structures for the creation of a natural gas underground storage in the hydrated state in permafrost aquifers. The advantages of this method of underground gas storage are greater compactness and stability of the storage, because the gas in the hydrated state occupies a much smaller volume than in the free state at the same temperature and pressure. A mathematical model of gas injection through a single well into a horizontal aquifer is presented, which takes into account all the basic physical and thermodynamic features of the process under consideration, including gas compressibility, the Joule-Thomson effect, adiabatic expansion, non-isothermal filtration of water and gas, mass transfer between gas, water and hydrate. This model is used to estimate the dynamics of the distribution of hydrate saturation, water saturation, pressure and temperature in the aquifer at different intensity values of gas injection and filtration-capacitance properties of the reservoir. In addition to porosity and permeability, the selected reservoir (depleted gas or aquifer) is characterized by initial values of pressure, temperature and water saturation. The variable parameters are the reservoir porosity and the volume flow rate of the injected gas. The results of the calculations showed that aquifers should be chosen for the creation of underground gas storage facilities in a hydrated state, depending on their reservoir properties and hydrodynamic characteristics. In further studies, it is necessary to evaluate the thermal interaction of such storages with the surrounding rocks. To do this, the proposed mathematical model should be generalized in a twodimensional formulation. The results obtained and the mathematical model can be used to develop the scientific foundations of underground storage technology not only for natural gas, but also for associated petroleum gas, as well as greenhouse and toxic gases in a hydrate state.

подземное хранениеприродный газгидратообразованиенеизотермическая фильтрацияподмерзлотный водоносный горизонтвычислительный экспериментunderground storagenatural gashydrate formationnon-isothermal filtrationpermafrost aquifercomputational experimentReferencesМакогон Ю.Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование. – М.: Недра, 1985. – 208 с.Makogon YU.F. Gazovye gidraty, preduprezhdenie ih obrazovaniya i ispol’zovanie. – M.: Nedra, 1985. – 208 s.Истомин В.А. Физико-химические исследования газовых гидратов: проблемы и перспективы. – М.: ТРЦ Газпром, 2000. – 71 с.Istomin V.A. Fiziko-himicheskie issledovaniya gazovyh gidratov: problemy i perspektivy. – M.: TRC Gazprom, 2000. – 71 s.Swinkels W.J.A.M., R.J.J. Drenth Thermal reservoir simulation model of production from naturally occurring gas hydrate accumulations // SPE Reservoir Evaluation and Engineering. – 2000. – vol. 3, iss. 6. – P. 559–566. doi:10.2118/68213-PA.Swinkels W.J.A.M., R.J.J. Drenth Thermal reservoir simulation model of production from naturally occurring gas hydrate accumulations // SPE Reservoir Evaluation and Engineering. – 2000. – vol. 3, iss. 6. – P. 559–566. doi:10.2118/68213-PA.Sun X., K.K. Mohanty 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.Sun X., K.K. Mohanty 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.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. – P. 032501-1. doi:10.101115/1.2956978.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. – P. 032501-1. doi:10.101115/1.2956978.Шагапов В.Ш., Мусакаев Н.Г. Динамика образования и разложения гидратов в системах добычи, транспортировки и хранения газа. – М.: Наука, 2016. – 240 с.Shagapov V.SH., Musakaev N.G. Dinamika obrazovaniya i razlozheniya gidratov v sistemah dobychi, transportirovki i hraneniya gaza. – M.: Nauka, 2016. – 240 s.Musakaev N.G. Solution of the problem of natural gas storages creating in gas hydrate state in porous reservoirs / N.G. Musakaev, M.K. Khasanov // Mathematics. – 2020. – vol. 8, iss. 1. doi:10.3390/math8010036.Musakaev N.G. Solution of the problem of natural gas storages creating in gas hydrate state in porous reservoirs / N.G. Musakaev, M.K. Khasanov // Mathematics. – 2020. – vol. 8, iss. 1. doi:10.3390/math8010036.Мусакаев Н.Г. Численное исследование процесса образования газового гидрата в пористом коллекторе / Н.Г. Мусакаев, С.Л. Бородин, М.К. Хасанов // Прикладная механика и техническая физика. – 2021. – том 62, № 4(368). – С. 57–67. doi:10.15372/PMTF20210406.Musakaev N.G. CHislennoe issledovanie processa obrazovaniya gazovogo gidrata v poristom kollektore / N.G. Musakaev, S.L. Borodin, M.K. Hasanov // Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika. – 2021. – tom 62, № 4(368). – S. 57–67. doi:10.15372/PMTF20210406.Khasanov M.K. Mathematical modeling of the process of gas injection into a reservoir with the formation of gas hydrate and melting ice / M.K. Khasanov, N.G. Musakaev // Lobachevskii Journal of Mathematics. – 2021. – vol. 42, no. 9. – P. 2151–2158. doi:10.1134/S1995080221090158.Khasanov M.K. Mathematical modeling of the process of gas injection into a reservoir with the formation of gas hydrate and melting ice / M.K. Khasanov, N.G. Musakaev // Lobachevskii Journal of Mathematics. – 2021. – vol. 42, no. 9. – P. 2151–2158. doi:10.1134/S1995080221090158.Khasanov M.K. Gas hydrate formation of sulfur dioxide by injection of liquid carbon dioxide into a natural layer saturated with methane and ice / M.K. Khasanov, S.R. Kildibaeva // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2019. – iss. 302. – 7 p. doi:10.1088/1755-1315/302/1/012053.Khasanov M.K. Gas hydrate formation of sulfur dioxide by injection of liquid carbon dioxide into a natural layer saturated with methane and ice / M.K. Khasanov, S.R. Kildibaeva // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2019. – iss. 302. – 7 p. doi:10.1088/1755-1315/302/1/012053.Khasanov M.K. Mathematical model of decomposition of methane hydrate during the injection of liquid carbon dioxide into a reservoir saturated with methane and its hydrate / M.K. Khasanov, M.V. Stolpovsky, S.R. Kildibaeva, N.G. Musakaev // Mathematics. – 2020. – vol. 8, no. 9. – 1482. doi:10.3390/math8091482.Khasanov M.K. Mathematical model of decomposition of methane hydrate during the injection of liquid carbon dioxide into a reservoir saturated with methane and its hydrate / M.K. Khasanov, M.V. Stolpovsky, S.R. Kildibaeva, N.G. Musakaev // Mathematics. – 2020. – vol. 8, no. 9. – 1482. doi:10.3390/math8091482.Khasanov M.K. Mathematical model of carbon dioxide injection into a porous reservoir saturated with methane and its gas hydrate / M.K. Khasanov, G.R. Rafikova, N.G. Musakaev // Energies. – 2020. – vol. 13. – 440. doi:10.3390/en13020440.Khasanov M.K. Mathematical model of carbon dioxide injection into a porous reservoir saturated with methane and its gas hydrate / M.K. Khasanov, G.R. Rafikova, N.G. Musakaev // Energies. – 2020. – vol. 13. – 440. doi:10.3390/en13020440.Хасанов М.К. Математическая модель инжекции углекислого газа в газогидратный пласт / М.К. Хасанов, М.В. Столповский // Теоретические основы химической технологии. – 2021. – том 55, № 4. – С. 517–528. doi:10.31857/S0040357121030088.Hasanov M.K. Matematicheskaya model’ inzhekcii uglekislogo gaza v gazogidratnyj plast / M.K. Hasanov, M.V. Stolpovskij // Teoreticheskie osnovy himicheskoj tekhnologii. – 2021. – tom 55, № 4. – S. 517–528. doi:10.31857/S0040357121030088.Shagapov V.Sh. Formation of gas hydrates in a porous medium during an injection of cold gas / V.Sh. Shagapov, N.G. Musakaev, M.K. Khasanov // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2015. – vol. 84. – P. 1030–1039. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.01.105.Shagapov V.Sh. Formation of gas hydrates in a porous medium during an injection of cold gas / V.Sh. Shagapov, N.G. Musakaev, M.K. Khasanov // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2015. – vol. 84. – P. 1030–1039. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.01.105.Шагапов В.Ш. К теории образования газогидрата в частично водонасыщенной пористой среде при нагнетании метана / В.Ш. Шагапов, Г.Р. Рафикова, M.К. Хасанов // Теплофизика высоких температур. – 2016. – том 54, № 6. – С. 911–920. doi:10.7868/S004036441606017X.Shagapov V.SH. K teorii obrazovaniya gazogidrata v chastichno vodonasyshchennoj poristoj srede pri nagnetanii metana / V.SH. SHagapov, G.R. Rafikova, M.K. Hasanov // Teplofizika vysokih temperatur. – 2016. – tom 54, № 6. – S. 911–920. doi:10.7868/S004036441606017X.Рожин И.И. Термодинамические эффекты в математических моделях добычи природного газа в северных регионах: дис. д.т.н. – Рожин Игорь Иванович: Институт проблем нефти и газа СО РАН, 2015. – Якутск. – 264 с.Rozhin I.I. Termodinamicheskie effekty v matematicheskih modelyah dobychi prirodnogo gaza v severnyh regionah: dis. d.t.n. – Rozhin Igor’ Ivanovich: Institut problem nefti i gaza SO RAN, 2015. – YAkutsk. – 264 s.Бондарев Э.А. Математическое моделирование создания подземного хранилища природного газа в гидратном состоянии / Э.А. Бондарев, И.И. Рожин, В.В. Попов, К.К. Аргунова // Научные труды НИПИ «Нефтегаз» ГНКАР. – 2015. – № 2. – С. 54–67. doi:10.5510/OGP20150200243.Bondarev E.A. Matematicheskoe modelirovanie sozdaniya podzemnogo hranilishcha prirodnogo gaza v gidratnom sostoyanii / E.A. Bondarev, I.I. Rozhin, V.V. Popov, K.K. Argunova // Nauchnye trudy NIPI «Neftegaz» GNKAR. – 2015. – № 2. – S. 54–67. doi:10.5510/OGP20150200243.Бондарев Э.А. Оценка возможности подземного хранения гидратов природного газа в зоне многолетней мерзлоты / Э.А. Бондарев, И.И. Рожин, В.В. Попов, К.К. Аргунова // Криосфера Земли. – 2015. – том XIX, № 4. – С. 64–74.Bondarev E.A. Ocenka vozmozhnosti podzemnogo hraneniya gidratov prirodnogo gaza v zone mnogoletnej merzloty / E.A. Bondarev, I.I. Rozhin, V.V. Popov, K.K. Argunova // Kriosfera Zemli. – 2015. – tom XIX, № 4. – S. 64–74.Bondarev E.A. Underground storage of natural gas in hydrate state: primary injection stage / E.A. Bondarev, I.I. Rozhin, V.V. Popov, K.K. Argunova // Journal of Engineering Thermophysics. – 2018. – vol. 27, No. 2. – P. 221–231. doi:10.1134/S181023281802008X.Bondarev E.A. Underground storage of natural gas in hydrate state: primary injection stage / E.A. Bondarev, I.I. Rozhin, V.V. Popov, K.K. Argunova // Journal of Engineering Thermophysics. – 2018. – vol. 27, no. 2. – P. 221–231. doi:10.1134/S181023281802008X.Bondarev, E.A. Simulation of multiphase flow in porous media accompanied by gas hydrate formation and dissociation / E.A. Bondarev, T.A. Kapitonova // Russian Journal of Engineering Thermophysics. – 1999. – vol. 9, no. 1-2. – P. 83–97.Bondarev, E.A. Simulation of multiphase flow in porous media accompanied by gas hydrate formation and dissociation / E.A. Bondarev, T.A. Kapitonova // Russian Journal of Engineering Thermophysics. – 1999. – vol. 9, no. 1-2. – P. 83–97.Чарный И.А. Подземная гидрогазодинамика. – М.: Гостоптехиздат, 1963. – 396 с.Charnyj I.A. Podzemnaya gidrogazodinamika. – M.: Gostoptekhizdat, 1963. – 396 s.Бондарев, Э.А. Плоскопараллельная неизотермическая фильтрация газа: роль теплопереноса / Э.А. Бондарев, К.К. Аргунова, И.И. Рожин // Инженерно-физический журнал. – 2009. – том 82, № 6. – С. 1059–1065.Bondarev, E.A. Ploskoparallel’naya neizotermicheskaya fil’traciya gaza: rol’ teploperenosa / E.A. Bondarev, K.K. Argunova, I.I. Rozhin // Inzhenerno-fizicheskij zhurnal. – 2009. – tom 82, № 6. – S. 1059–1065.Bondarev E.A. Plane-parallel nonisothermal gas filtration: the role of thermodynamics / E.A. Bondarev, K.K. Argunova, I.I. Rozhin // Journal of Engineering Thermophysics. – 2009. – Vol. 18, No. 2. – P. 168–176. doi:10.1134/S1810232809020088.Bondarev E.A. Plane-parallel nonisothermal gas filtration: the role of thermodynamics / E.A. Bondarev, K.K. Argunova, I.I. Rozhin // Journal of Engineering Thermophysics. – 2009. – Vol. 18, No. 2. – P. 168–176. doi:10.1134/S1810232809020088.Басниев К.С., Власов А.М., Кочина И.Н., Максимов В.М. Подземная гидравлика. – М.: Недра, 1986. – 304 с.Basniev K.S., Vlasov A.M., Kochina I.N., Maksimov V.M. Podzemnaya gidravlika. – M.: Nedra, 1986. – 304 s.Бондарев Э.А., Бабе Г.Д., Гройсман А.Г., Каниболотский М.А. Механика образования гидратов в газовых потоках. – Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1976. – 157 с.Bondarev E.A., Babe G.D., Grojsman A.G., Kanibolotskij M.A. Mekhanika obrazovaniya gidratov v gazovyh potokah. – Novosibirsk: Nauka, Sib. otd-nie, 1976. – 157 s.Истомин В.А., Квон В.Г. Предупреждение и ликвидация газовых гидратов в системах добычи газа. – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004. – 506 с.Istomin V.A., Kvon V.G. Preduprezhdenie i likvidaciya gazovyh gidratov v sistemah dobychi gaza. – M.: OOO «IRC Gazprom», 2004. – 506 s.Sloan E.D., Koh C.A. Clathrate hydrates of natural gases. – Boca Raton: Taylor&Francis Group/CRC Press, 2008. – 720 p.Sloan E.D., Koh C.A. Clathrate hydrates of natural gases. – Boca Raton: Taylor&Francis Group/CRC Press, 2008. – 720 p.Латонов В.В. Расчет коэффициента сжимаемости природных газов / В.В. Латонов, Г.Р. Гуревич // Газовая промышленность. – 1969. – № 2. – С. 7–9.Latonov V.V. Raschet koefficienta szhimaemosti prirodnyh gazov / V.V. Latonov, G.R. Gurevich // Gazovaya promyshlennost’. – 1969. – № 2. – S. 7–9.Kay W.B. Density of hydrocarbon gases and vapors at high temperature and pressures // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 1936. – Vol. 28. – P. 1014–1019.Kay W.B. Density of hydrocarbon gases and vapors at high temperature and pressures // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 1936. – Vol. 28. – P. 1014–1019.Бондарев Э.А. Динамика образования гидратов при добыче природного газа / Э.А. Бондарев, В.В. Попов // Вычислительные технологии. – 2002. – № 1. – С. 28–33.Bondarev E.A. Dinamika obrazovaniya gidratov pri dobyche prirodnogo gaza / E.A. Bondarev, V.V. Popov // Vychislitel’nye tekhnologii. – 2002. – № 1. – S. 28–33.Васильев В.И., Попов В.В., Васильев В.И., Тимофеева Т.С. Вычислительные методы в разработке месторождений нефти и газа. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. – 126 с.Vasil’ev V.I., Popov V.V., Vasil’ev V.I., Timofeeva T.S. Vychislitel’nye metody v razrabotke mestorozhdenij nefti i gaza. – Novosibirsk: Izd-vo SO RAN, 2000. – 126 s.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.