Численное моделирование закачки углекислого газа в истощенное месторождение углеводородов

Abstract

В настоящее время подземная утилизация выработанного промышленными объектами углекислого газа видится одним из направлений решения проблемы предотвращения дальнейшего повышения концентрации парниковых газов в атмосфере Земли. При этом наиболее безопасным и надежным методом предотвращения выхода парниковых газов на поверхность является их перевод в газогидратное состояние, позволяющее хранить огромное количество газа в небольшом объеме и при небольших значениях давления. Целью работы является теоретическое исследование гидродинамических и теплофизических процессов при подземной утилизации парниковых газов в газогидратном состоянии. На основе методов механики сплошной среды построена математическая модель закачки углекислого газа в природный пласт, насыщенный в исходном состоянии водой и метаном, сопровождающейся гидратообразованием. Для случая инжекции теплого углекислого газа (с температурой, превышающей начальную температуру пласта) построены автомодельные решения плоскорадиальной задачи, описывающие динамику температурных и гидродинамических полей в пласте. В результате численных расчетов установлено, что образование газового гидрата диоксида углерода может происходить как на фронтальной поверхности, так и в протяженной зоне. Определены предельные значения массового расхода инжекции углекислого газа, соответствующие возникновению протяженной зоны образования газового гидрата. Показано, что режим с образованием газогидрата в протяженной области реализуется при малых значениях массового расхода, а также при высоких значениях проницаемости и начальной водонасыщенности пласта. Реализация режима с протяженной областью гидратообразования в пластах с высокими значениями проницаемости и исходной водонасыщенности, а также при малых значениях расхода обусловлена тем, что при данных условиях давление на границе фазовых переходов оказывается ниже равновесного давления образования газогидрата углекислого газа, соответствующего температуре на этой границе.

Now underground utilization of the carbon dioxide worked out by industrial facilities is one of directions of solving the problem of prevention of further increase in greenhouse gas concentration in the Earth's atmosphere. At the same time the safest and the most reliable method of prevention of greenhouse gas exit to the surface is their conversion into the gas hydrate state, which allows storing the huge amount of gas in the small volume and at low pressures. The aim of the work is the theoretical research of hydrodynamic and thermophysical processes at underground utilization of greenhouse gases in the gas hydrate state. Based on the methods of mechanics of continuous medium the author has built the mathematical model of carbon dioxide injection in a natural layer, saturated with the water and methane in the initial state, followed by hydrate formation. For the case of injection of the warm carbon dioxide (with the temperature exceeding the initial temperature of the layer) the author constructed the self-similar solutions of the plane-rational task describing dynamics of temperature and hydrodynamic fields in the layer. As a result of numerical calculations it was determined that formation of carbon dioxide gas hydrate can happen both on the frontal surface, and in the extended zone. The author defined the limiting values of the mass flow rate of carbon dioxide injection, corresponding to occurrence of an extended gas hydrate formation zone. It is shown that the mode with formation of gas hydrate in extended area is implemented at small values of mass flow rate of injection, as well as at high values of permeability and initial water saturation of layer. Implementation of the mode with extended area of hydrate formation in layers with high values of permeability and initial water saturation, and also at small values of the mass flow rate of injection is caused by the fact that under existing conditions the pressure on phase transitions border is below the equilibrium pressure of formation of carbon dioxide gas hydrate corresponding to the temperature on this border.