научная статья по теме НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА ГАЗОГИДРАТОВ НАГНЕТАНИЕМ ГАЗА ВО ВЛАЖНУЮ ПОРИСТУЮ СРЕДУ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА ГАЗОГИДРАТОВ НАГНЕТАНИЕМ ГАЗА ВО ВЛАЖНУЮ ПОРИСТУЮ СРЕДУ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2010, том 44, № 3, с. 275-285

УДК 532.546:536.421

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА ГАЗОГИДРАТОВ НАГНЕТАНИЕМ ГАЗА ВО ВЛАЖНУЮ ПОРИСТУЮ СРЕДУ

© 2010 г. В. Ш. Шагапов, О. Р. Нурисламов*

Институт механики Уфимского научного центра РАН, г. Уфа *Бирская государственная социально-педагогическая академия, г. Бирск Поступила в редакцию 03.12.2008 г.; после доработки 14.05.2009 г.

В плоскоодномерной автомодельной постановке изучен процесс образовании газогидратов при ин-жекции газа в частично насыщенную водой пористую среду. Проанализировано влияние исходных параметров пористой среды (пористости, проницаемости и содержания влаги), температуры нагнетаемого газа и интенсивности нагнетания на картину гидродинамических и температурных полей в пористой среде. Показано, что в зависимости от интенсивности нагнетания холодного газа во влажную пористую среду процесс может происходить в нескольких режимах, с качественно различающейся структурой зон гидратообразования. Из-за образования газогидратов в объемных областях при нагнетании холодного газа может происходить нагрев пористой среды на десятки градусов, и тем самым процесс гидратообразования может служить неким механизмом для повышения температуры.

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к газогидратам связан, прежде всего, с тем, что газогидраты представляют один из главных источников углеводородного сырья будущего, а также с разработкой безопасных и экономичных способов консервации природных газов. Дело в том, что в газогидратном состоянии одну и ту же массу газа можно хранить при гораздо меньших давлениях и объемах [1, 2]. Однако гидратообразо-вание является медленным процессом. Для интенсификации процесса образования гидрата необходимо создавать условия, реализующие высокие удельные площади контакта газа и жидкости. Такие благоприятные условия можно создавать в пористых средах, где площади контакта принимают огромные значения.

Целью настоящей работы является изучение, в рамках плоскоодномерной и автомодельной постановки, количественных и качественных особенностей гидратообразования в пористой среде при нагнетании холодного газа. Такая постановка позволяет в наиболее полном виде учесть все факторы, влияющие на рассматриваемые процессы и определить детальную картину их развития. Все это является необходимым первым шагом при разработке конкретных технологических схем и методов расчета процессов получения газогидратов в пористой среде.

Здесь рассматривается модельная задача об образовании газогидрата при нагнетании газа в пористую среду, заполненную в исходном состоянии газом и водой (рис. 1). В связи с тем, что равновесная

Рис. 1. Технологическая схема

275

3*

температура фазовых переходов для газогидратов зависит от давления, образование и разложение газогидратов могут происходить на фронтальных границах, а также в объемных областях. Как показано в данной работе, процесс гидратообразования в протяженных зонах пористой среды приводит к ее нагреву. Содержание воды в пористой среде (порядка нескольких процентов по массе) позволяет увеличить ее температуру на десятки градусов. Следовательно, из-за гидратообразования нагнетаемый газ становится своеобразным теплоносителем. Представляется, что этот эффект может быть использован в некоторых технологических процессах, связанных с термическим размягчением сред, таких как твердые асфальтены или смолы. Некоторые аспекты процессов образования и разложения газогидратов в пористых средах, а также в цилиндрических каналах рассмотрены в [3—6].

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Для описания процессов тепломассопереноса при закачке газа в пористую среду примем следующие допущения. Процесс однотемпературный, т.е. температуры пористой среды и насыщающего вещества (газа, гидрата или воды) совпадают. Гидрат является двухкомпонентной системой с массовой концентрацией газа О. Кроме того, скелет пористой среды, газогидрат и вода несжимаемы и неподвижны, пористость постоянна, газ является калориче-ски совершенным.

В рамках отмеченных допущений запишем для плоскоодномерной задачи уравнения сохранения массы, закон Дарси, уравнения состояния газа и притока тепла [3]:

д (тБ*р *) + дХ (тБ^ *Р *) = -т°Р* ^

5

(тБ,р,) = -т(1 - б)р

дБ*

дг

тБ*и * = -к др,

ц * дх

дг

р = р лт,

дТ . с дТ ди дТ\ . г дБ* (1) рс— + р с тБ и .— =— (А— 1 + тркЬк—к х (1)

дг ** * * дх сх\ дх/ к дг

рс = (1 - т)рвксвк + т ^ БjР

К У

Х = (1 - т)Хк + т ^ Буку, Б* + Бе + Б* = 1

}=

относятся к параметрам газа, воды, гидрата и скелета пористой среды соответственно; и*, к* и ц * — скорость, проницаемость и динамическая вязкость газовой фазы; Ьк — удельная теплота гидратообразования; су и X1 — удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности фаз; рс и X — удельная объемная теплоемкость и коэффициент теплопроводности системы. Поскольку в большинстве случаев теплопроводность и теплоемкость среды определяются пористым скелетом, переменностью коэффициента температуропроводности будем пренебрегать.

Для отношения скоростей фильтрации воды и газа имеет место тБщое/тБ&и* ^ к, где

к1 (1 = £, *) — коэффициенты фазовой проницаемости. Это отношение, поскольку вязкость газа ц*

значительно меньше вязкости воды ц , обычно всегда мало (за исключением случаев, когда водонасы-щенность близка к единице). Поэтому в большинстве случаев, представляющих практический интерес, допущение о неподвижности жидкости (и = 0) оправдано.

Зависимость коэффициента проницаемости для газа к& от "живой" пористости тБ& будем задавать на основе формулы Козени [7]. Тогда для зависимости проницаемости от газонасыщенности будем иметь:

к* — к

(тБ*) *(1 - тБ)

коБ* (ко — к*), (2)

где к0 — соответствует проницаемости "чистого" скелета.

Значения температуры и давления в области образования гидрата связаны условием фазового равновесия [2]:

(3)

Т = То + Т* 1п|

Рз0

Здесь т — пористость, р — давление, Т — температура, р у и Б у — истинная плотность и насыщенность пор у -ой фазой (у = зк,к,£,*); индексы *, £, к и зк

где Т0 — исходная температура системы, рз0 — равновесное давление, соответствующее исходной температуре, Т* — эмпирический параметр, зависящий от вида газогидрата.

Согласно современным представлениям [8], образование частиц гидрата сопровождается неравновесными процессами, обусловленными диффузией гидратообразующего газа по направлению к поверхности контакта вода — гидрат через слои воды и гидрата. Полагая, что характерные толщины таких

слоев порядка размеров поровых каналов -^к/т, для характерных времен гв релаксации диффузионной

неравновесности имеем оценку ЧБ = к/тБ, где Б — коэффициент диффузии. По сравнению с временами, представляющими интерес в рассматриваемой задаче, эти характерные времена, как правило, очень малы.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Будем полагать, что пористая среда в начальный момент времени насыщена газом (Б^ = Б ^) и водой (Бе = Бт), давление р0 и температура Т0 которых в исходном состоянии соответствуют термодинамическим условиям существования их в свободном состоянии (р0 < р50) и изначально одинаковы по всей пористой среде. Эти условия могут быть записаны следующим образом:

Ч — 0 : Бе — ¿ю (¿^ — 1 — Бю, Б и —

Т — Т0, р — Р0 (х > 0).

(4)

Пусть через границу х = 0 закачивается газ (одноименный исходному) с температурой Те при постоянном давлении ре. Тогда граничное условие имеет вид:

х = 0: Т = Те, р = ре (Ч > 0).

(5)

[т(Брк(1 - О) + Бр)х({] = 0, [т(р А(ие - х(0) - рБОХ^] = 0,

■ [трн^Б^о].

(6)

хд_Т _ дх.

Из условий (6) с учетом закона Дарси из (1) для ближней границы (х = х(п)) можем получить

- Ы (др)" + Къ) (др)+ =

ц \дх!(п) \дх/(„)

= т(БИ(п) Бк(п))

Г Ори Рй(1 - О)

1 -■

Р Я(п)

Ч.п)

Х ( ) - Х ( ) = тРи1к (п) - Бк(п)]хь

\дх! (п) \дх! (п) х '

(Бк(п) = БИе ИЛИ Бк(п) = 0, к(п) = к(п) = к0Б! к+) = к0 (бб!+(п)) , Бя(п) = 1 — Б,

(п) 3

(7)

>к(п)

1 -МО^в) 1

к Ре

Здесь верхние значки (+) и (—) соответствуют значению параметров, терпящих разрыв, перед и за границей. На дальней границе полагаем, что гидрато-

насыщенность не терпит разрыва (Б^ = Бц^ = 0).

Из аналогичных условий при х = х^ получим

-(—)- + (др)+ = 0, - (дТ)- + (дТ) + =

1 <1 0 1/1/

дх! (а) \дх! (а) \дх! (а) \дх! (а)

0. (8)

В промежуточной области температура и давление связаны условием фазового равновесия (3), поэтому производные давления и температуры на гра-соответственно, должны быть

нице х

V)

связаны следующими соотношениями:

Как уже отмечено, при нагнетании газа в пористую среду в общем случае могут возникнуть три характерные области. В области, находящейся вблизи границы х = 0, поры заполнены газом и гидратом или газом и водой. Во второй (промежуточной) области происходит образование газогидрата, поэтому здесь поры заполнены газом, водой и гидратом. В третьей (дальней) области присутствуют газ и вода.

На границах этих областей должны выполняться условия баланса массы и тепла [3]:

Т.

Т.

т+ = т* (др)+ и (дгг = т* (др

\дх! с

. . . . . . . . (9)

\дх!(п) р(п) \дх!(п) \дх!(а) р{Л) \дх)(а)

Сформулированная задача имеет автомодельное решение.

РЕШЕНИЯ В БЛИЖНЕЙ И ДАЛЬНЕЙ ОБЛАСТЯХ

Введем автомодельную переменную Е = х/

(Т).

Ч

(К(Т) = ^/рс), где К(Т — температуропроводность пласта.

Второе уравнение из (1) может быть проинтегрировано с учетом начального условия для Бе из (4). В результате получаем следующие зависимости:

Б __Р

Ри (1 - О)

/ л

( Бе), Sg —

(10)

Здесь [у] — скачок параметра у на границе х = х^ (г = п,а) между областями; х^ — скорость движения этой границы; г = п — относится к границе между ближней и промежуточной областями, г = й — относится к границе между промежуточной и дальней областями. Температуру и давление на этих границах будем полагать непрерывными.

— 1 - Б„

1 --

(0

Ри (1 - О))

Отсюда, в соответствии с вышепринятыми допущениями, полагая Бе = 0, для ближней области (0 < х < х(п)) из (10) имеем

_ р1БЮ

БИе = Т. 7Т, Sge = 1 БИе

Ри (1 - О)

Когда реализуется четвертый режим в ближней области, имеет место Б1е = Б{0 и Б*е = 1 - Б(е.

Таким образом, в дальней и ближней областях имеет место фильтрация газа в пористой среде с постоянными знач

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком