Инжекция жидкого диоксида углерода в пласт, насыщенный метаном и его газогидратом

Abstract

Актуальность исследования связана с разработкой теоретических основ технологий добычи газа из газогидратных месторождений методом замещения. Рассматривается метод инжекции диоксида углерода, позволяющий значительно снизить энергетические затраты на разработку природных газогидратных залежей. Целью исследования является выяснение особенностей протекания процесса замещения метана диоксидом углерода в газогидрате при инжекции жидкого диоксида углерода в газогидратный пласт. Объект: пористый пласт конечной протяженности, насыщенный метаном и его газогидратом, исходные давление и температура которого соответствуют условиям стабильного существования газогидрата метана. Методы. На основе уравнений механики сплошной среды построена математическая модель тепломассопереноса в природном пласте, сопровождающаяся замещением метана на диоксид углерода в газогидрате. Принято, что в рассматриваемом случае в пласте возникают две характерные зоны, разделенные подвижной границей фазовых переходов. В первой (ближней) зоне поры насыщены жидкой двуокисью углерода и ее газогидратом, а во второй (дальней) зоне содержатся метан и его газогидрат. Результаты. Получены численные решения для полей давления и температуры при инжекции жидкого диоксида углерода в газогидратный пласт конечной протяженности. Построены зависимости температуры на границе замещения от давления инжекции и проницаемости пласта. Установлено, что при достаточно низких значениях давления инжекции и проницаемости величина температуры на границе замещения может подниматься выше равновесного значения температуры диссоциации газогидрата метана на газ и воду. Это соответствует возникновению второй подвижной межфазной границы, на которой происходит разложение газогидрата метана. Найдена зависимость предельной температуры закачиваемой жидкой двуокиси углерода, выше которой необходимо учитывать образование смеси метана и воды, от значений давления на правой и левой границах пласта и его проницаемости. Установлено, что режим с разложением газогидрата реализуется при высоких значениях давления на правой границе пласта и низких значениях проницаемости и давления, под которым закачивается двуокись углерода. Получены зависимости скорости границы замещения, а также времени полной замены газогидрата метана на газогидрат диоксида углерода во всем пласте от давления на правой и левой границах пласта, а также от его проницаемости.

The relevance of the study is related to development of theoretical foundations of gas production technologies from gas-hydrate deposits by substitution. The method of carbon dioxide injection is considered, which allows reducing significantly energy costs for development of natural gas hydrate deposits. The main aim of the study is to determine the features of methane replacing with carbon dioxide in gas hydrate when injecting liquid carbon dioxide into gas hydrate formation. Object: a porous layer of finite extent saturated with methane and its gas hydrate, the initial pressure and temperature of which correspond to the conditions of stable existence of methane gas hydrate. Methods. On the basis of the equations of continuum mechanics, a mathematical model of heat and mass transfer in the natural reservoir is constructed, accompanied by methane substitution for carbon dioxide in gas hydrate. It is accepted that in the considered case in a layer there are two characteristic zones separated by a mobile boundary of phase transitions. The first (near) pore area is saturated with liquid carbon dioxide and its gas hydrate, and the second (far) area contains methane and its gas hydrate. Result. The authors have obtained numerical solutions for pressure and temperature fields at injection of liquid carbon dioxide into a gas hydrate layer of finite extent and temperature dependences on the substitution border on injection pressure and formation permeability. It is established that at sufficiently low values of injection pressure and permeability the temperature on the boundary of substitution can rise above the equilibrium temperature of decomposition of methane gas hydrate into gas and water. This corresponds to the emergence of a second mobile interphase boundary at which decomposition of methane gas hydrate occurs. The authors determined the dependence of the maximum temperature of pumped liquid carbon dioxide, above which it is necessary to take into account the formation of a mixture of methane and water, on the pressure values at the right and left borders of the formation and its permeability. It is established that the mode with gas hydrate decomposition is implemented at high pressure values on the right boundary of the formation and low permeability and pressure values under which carbon dioxide is pumped. The authors obtained the dependences of the replacement boundary rate, as well as the time of complete replacement of methane gas hydrate by carbon dioxide gas hydrate in the entire formation, on the pressure on the right and left boundaries of the formation, as well as on its permeability.