Особенности математического моделирования систем добычи и транспорта природного газа в арктической зоне России

Э. А. Бондарев, И. И. Рожин, К. К. Аргунова

Аннотация


Показано, что для адекватного описания работы газовых скважин и магистральных газопроводов в регионах Крайнего Севера соответствующие математические модели должны учитывать реальные свойства газа, тепловое взаимодействие с многолетнемерзлыми горными породами и возможность образования (диссоциации) газовых гидратов в этих объектах. Предложены математические модели, которые в рамках трубной гидравлики учитывают неизотермичность течения газа, изменение площади проходного сечения из-за образования гидратов и зависимость коэффициента теплообмена газа с гидратным слоем от изменяющейся со временем площади проходного сечения. Соответствующая сопряженная задача теплообмена между несовершенным газом в скважине и окружающей средой (горными породами) сводится к решению дифференциальных уравнений, описывающих неизотермическое течение газа в трубах, и уравнений распространения тепла в горных породах с соответствующими условиями сопряжения. При этом в квазистационарной математической модели образования (диссоциации) гидратов учитывается зависимость температуры фазового перехода «газ – гидрат» от давления в потоке газа. Получено, что образование гидратов в скважинах, даже при низких пластовых значениях температуры и мощном слое многолетней мерзлоты, занимает достаточно большой промежуток времени, позволяющий оперативно предотвратить создание аварийных ситуаций в системах газоснабжения. Методами математического моделирования проанализированы некоторые решения, принятые при проектировании первого участка магистрального газопровода «Сила Сибири». В частности, показано, что при недостаточной осушке газа давление на выходе может снизиться ниже допустимого предела примерно за 6-7 ч. В то же время для полностью сухого газа имеется возможность снизить затраты на теплоизоляцию газопровода как минимум вдвое.


Ключевые слова


гидраты природных газов; многолетнемерзлые горные породы; сопряженная задача теплообмена; газовая скважина; газопровод; теплоизоляция; вычислительный эксперимент

Полный текст:

PDF PDF (English)

Литература


Аргунова К.К. Математические модели образования гидратов в газовых скважинах / К.К.Аргунова, Э.А.Бондарев, И.И.Рожин // Криосфера Земли. 2011. Т. 15. № 2. С. 65-69.

Аргунова К.К. Свойства реального газа и их аналитическое представление / К.К.Аргунова, Э.А.Бондарев, И.И.Рожин // Газохимия. 2010. № 6 (16). С. 52-54.

Аргунова К.К. Численное изучение нелинейных эффектов в моделях добычи природного газа: Автореф. ... канд. физ.-мат. наук / Якутский государственный университет им. М.К.Аммосова. Якутск, 2005. 18 с.

Бондарев Э.А. Математические модели образования гидратов в газовых скважинах / Э.А.Бондарев, К.К.Аргунова // Информационные и математические технологии в науке и управлении: Труды XIV Байкальской всероссийской конференции. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2009. Ч. 3. С. 41-51.

Будак Б.М. Разностный метод со сглаживанием коэффициентов для решения задачи Стефана / Б.М.Будак, Е.Н.Соловьева, А.Б.Успенский // Журнал вычисл. математики и мат. физики. 1965. Т. 5. № 5. С. 828-840.

Вукалович М.П. Уравнение состояния реального газа / М.П.Вукалович, И.И.Новиков. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948. 340 с.

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

Определение интервала гидратообразования в скважинах, пробуренных в многолетнемерзлых породах / К.К.Аргунова, Э.А.Бондарев, В.Е.Николаев, И.И.Рожин // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2008. http://www.ogbus.ru/authors/Argunova/Argunova_2.pdf. 11 с. (дата обращения 2.10.2017).

Перепеличенко В.Ф. Перспективы освоения уникального нефтегазоконденсатного месторождения Якутии // Электронный научный журнал «Георесурсы. Геоэнергетика. Геополитика». 2012. Вып. 1 (5). http://oilgasjournal.ru/vol_5/ perepelich.pdf. 8 с. (дата обращения 4.09.2017).

Самарский А.А. Экономичная схема сквозного счета для многомерных задач Стефана / А.А.Самарский, Б.Д.Моисеенко // Журнал вычисл. математики и мат. физики. 1965. Т. 5. № 5. С. 816-827.

Теория тепломассообмена / С.И.Исаев, И.А.Кожинов, В.И.Кофанов, А.И.Леонтьев, Б.М.Миронов, В.М.Никитин, Г.Б.Петражицкий, М.С.Самойлов, В.И.Хвостов, Е.В.Шишов. М.: Высшая школа, 1979. 495 с.

Термогидродинамика систем добычи и транспорта газа / Э.А.Бондарев, В.И.Васильев, А.Ф.Воеводин, Н.Н.Павлов, А.П.Шадрина. Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1988. 272 с.

Тихонов А.Н. Уравнения математической физики / А.Н.Тихонов, А.А.Самарский. М.: Наука, 1977. 736 с.

Bondarev E.A. Modeling the formation of hydrates in gas wells in their thermal interaction with rocks / E.A.Bondarev, I.I.Rozhin, K.K.Argunova // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2014. Vol. 87. N 4. Р. 900-907. DOI: 10.1007/s10891-014-1087-0.

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

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




DOI: http://dx.doi.org/10.25515/pmi.2017.6.705

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.