Моделирование подземного хранения природного газа в гидратном состоянии в подмерзлотных водоносных горизонтах

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.

1. Макогон Ю.Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование. – М.: Недра, 1985. – 208 с.

2. Истомин В.А. Физико-химические исследования газовых гидратов: проблемы и перспективы. – М.: ТРЦ Газпром, 2000. – 71 с.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Шагапов В.Ш., Мусакаев Н.Г. Динамика образования и разложения гидратов в системах добычи, транспортировки и хранения газа. – М.: Наука, 2016. – 240 с.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. Чарный И.А. Подземная гидрогазодинамика. – М.: Гостоптехиздат, 1963. – 396 с.

22. 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.

23. 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.

24. Басниев К.С., Власов А.М., Кочина И.Н., Максимов В.М. Подземная гидравлика. – М.: Недра, 1986. – 304 с.

25. 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.

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

27. Sloan E.D., Koh C.A. Clathrate hydrates of natural gases. – Boca Raton: Taylor&Francis Group/CRC Press, 2008. – 720 p.

28. Латонов В.В. Расчет коэффициента сжимаемости природных газов / В.В. Латонов, Г.Р. Гуревич // Газовая промышленность. – 1969. – № 2. – С. 7–9.

29. Kay W.B. Density of hydrocarbon gases and vapors at high temperature and pressures // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 1936. – Vol. 28. – P. 1014–1019.

30. Бондарев Э.А. Динамика образования гидратов при добыче природного газа / Э.А. Бондарев, В.В. Попов // Вычислительные технологии. – 2002. – № 1. – С. 28–33.

31. 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.