Эволюция нефтегазовой струи, истекающей через разрыв магистрального нефтепровода (газопровода), расположенного на дне водоема

Abstract

Актуальность исследования связана с растущим интересом к добыче углеводородов на дне Мирового океана. При этом многократно увеличивается опасность аварийного разлива нефтепродуктов в воду. Разливы нефти на платформах Ixtoc-1 и Deepwater Horizon в Мексиканском заливе продемонстрировали неготовность современных методов к быстрой ликвидации аварийных утечек. В связи с этим существует необходимость в исследовании затопленных струй, состоящих из смеси углеводородов (нефти и газа). Кроме этого, при глубоководных разливах многофазной смеси нефти и попутных газов могут образовываться кристаллогидраты, которые могут влиять на динамику распространения этих выбросов. Поэтому изучение динамики распространения струи с учетом гидратообразования позволит сократить время ликвидации возможных утечек. В данной работе рассматривается математическая модель формирования затопленной многофазной струи с учетом гидратообразования при различных начальных условиях. Цель: исследовать формирование затопленной струи в зависимости от начальных условий. Объекты: многофазная струя углеводородов; компоненты струи: нефть, газ, вода; композитные пузырьки, покрытые гидратной оболочкой; характер распространения струйного течения, процесс гидратообразования. Методы. Для описания процесса распространения затопленной струи используется интегральный Лагранжевый метод контрольного объема, согласно которому струя представляется в виде последовательности элементарных объемов, каждый из которых характеризуется линейными размерами и теплофизическими характеристиками. Распространение затопленной струи рассматривается для глубоководных разливов на дне океана, что соответствует случаю, когда на поверхности пузырьков начинают образовываться гидратные оболочки и газовый пузырек превращается в гидратный. Для описания процесса гидратообразования в работе принята предельная схема, согласно которой гидратообразвание лимитируется диффузией газа через гидратную оболочку. Результаты. Дополнена математическая модель течения многофазной затопленной струи с учѐтом образования гидрата на поверхности пузырьков. Получены зависимости теплофизических характеристик затопленной струи от вертикальной координаты, траектория распространения струи. Для пузырьков метана, которые покрываются гидратной оболочкой, применено уравнение состояния для реальных газов. В результате расчетов получены зависимости радиусов газовой и гидратной составляющих композитного пузырька и его плотности от вертикальной координаты. Установлено, что радиус гидратной составляющей пузырька убывает для случая, когда поведение газа описывается уравнением состояния для идеального газа, и растет для случая применения уравнения состояния для реального газа.

The relevance of the research is associated with increasing interest in production of hydrocarbons at the bottom of the world ocean. The risk of accidental spills of oil products into the water increases many times. Oil spills on the Ixtoc-1 platform and Deepwater Horizon in the Gulf of Mexico demonstrated the unavailability of modern methods to eliminate emergency underwater leaks. In this regard, there is a need to study the submerged jets consisting of hydrocarbons mixture (oil and gas). In addition, deep-sea spills of a multiphase mixture of oil and associated gases can produce hydrates, which can affect the dynamics of these emissions. Therefore, the study of the multiphase jets dynamics in ocean water accompanied by hydrate formation is an urgent and multifaceted task. This study will reduce the time of elimination of possible leaks. In this work we study a submerged multiphase jet formation taking into account hydrate formation under different initial conditions. The main aim of the research is to investigate the formation of a submerged jet depending on the initial conditions. Objects: multiphase jet of hydrocarbons; components of the jet: oil, gas, water; composite bubbles, covered with a hydrate shell; nature of jet flow spread, hydrate formation. Methods. The integral Lagrangian method of the control volume is used to describe the submerged jet propagation. According to this method, the jet is represented as a sequence of elementary volumes, each of which is characterized by linear dimensions and thermophysical characteristics. Submerged jet distribution is considered for deep-sea spills, which corresponds to the case when hydrate shells begin to form on the surface of the bubbles and the gas bubble turns into a hydrate. The paper adopts a limit scheme, according to which hydrate formation is limited by the diffusion of gas through the hydrate shell. Result. The authors have supplemented the mathematical model of multiphase submerged jet flow taking into account the formation of hydrate on the surface of bubbles. The dependences of the submerged jet thermophysical characteristics on vertical coordinate and the trajectory of jet propagation are obtained. The equation of state for real gases is applied for methane bubbles, which are covered with a hydrate shell. As a result of calculations, the dependences of the radius of the gas and hydrate component of the composite bubble and its density on vertical coordinate are obtained. It is found that the radius of the bubble hydrate component decreases for the case when the gas is described by the ideal gas state equation and grows for the case of applying the equation of state for real gas.