Шагапов В.Ш., Чиглинцева А.С., Русинов А.А., Тазетдинов Б.И.

Бирский филиал Башкирского государственного университета, Россия

О динамике процесса миграции газовых пузырей в условиях гидратообразования

Введение

В соответствии с современными акустическими исследованиями известно, что в Мировом океане ежедневно происходят непрерывные выбросы метана, которые составляют несколько сотен тонн газа [1]. Во всем мире насчитывается около 10000 подводных грязевых вулканов, которые хранят до 10¹⁰–10¹² м³ метана в газогидратах [1]. Исследования, проведенные в Охотском море на Сахалинском склоне, показали, что выходы метановых пузырей со дна моря сопровождаются образованием гидрата на их поверхности [2]. Это связано с тем, что в процессе всплытия пузыря к поверхности океана в районах аварий, в зависимости от глубины, создаются термобарические условия для образования и разложения гидрата на поверхности пузыря [3, 4]. Поскольку в 1 м³ гидрата содержится около 160 м³ газа и 0.8 м³ воды [5], то это обстоятельство позволяет рассматривать газогидрат как один из перспективных источников углеводородного сырья. Поэтому одним из возможных способов получения газа из гидратов является сбор гидратных пузырей с помощью купола-ловушки и последующей транспортировки таких систем в специальные реакторы созданные для их разложения.

В данной работе построены следующие теоретические модели: 1) математическая модель процесса миграции одиночного газового пузыря в условиях Мирового океана, сопровождаемого процессом гидратообразования; 2) теоретические основы процесса миграции систем газовых пузырьков в вертикальном канале в условиях образования гидрата.

Задача о процессе миграции одиночного газового пузыря

При построении математической модели всплытия одиночного газового пузырька рассматривалась система уравнений изменения массы и импульсов в предположении, что жидкость несжимаема и газ калорически совершенный. Принято, что на межфазной поверхности газ-гидрат температура газа соответствует равновесной температуре фазовых переходов для газогидрата, а также скорость образования газогидрата и его подъема зависит от интенсивности подвода воды к гидрату.

в)

б)

а)

Рис. 1. Распределения масс (а) и радиусов (б) газа и газогидратного пузырька, скорости всплытия пузырька (в).

На рис. 1. представлены распределения массы, радиусов пузырька и газа, а также скорости миграции пузырька со дна океана к его поверхности. Видно, что одиночный газовый пузырек, поднимающийся с глубины 1500 м, имея начальный радиус 1 мм, полностью превращается в гидрат на высоте более чем 0.2 м.

Таким образом, математическое моделирование естественного гидратообразующего процесса позволило выявить динамику изменения массы и радиуса пузыря, которая объясняет закономерности формирования газогидрата.

Задача о процессе миграции системы газовых пузырьков

Согласно предлагаемой технологической схеме к месту источника газа опускается цилиндрический канал, необходимый для управления многофазным потоком, в котором происходит процесс гидратообразования. Далее, образовавшиеся гидратные пузыри попадают в ловушку, предназначенную для сбора и транспортировки таких гидратных систем с целью последующего извлечения из них газа.

г)

в)

б)

а)

Рис. 2. Распределения массовых расходов газа и гидрата (а); скоростей газовых пузырьков и воды (б); температуры воды вдоль канала (в); радиусов газового и гидратного пузырька (г).

На рис.2 представлены распределения массовых расходов газа и гидрата, скоростей газовых пузырьков и воды, температуры воды вдоль канала, а также радиусов газового и гидратного пузырька, находящихся на глубине 1500 м с начальными радиусами 1 мм. Видно, что процесс гидратообразования заканчивается, т. е. газ в пузырьке полностью переходит в гидратное состояние, на высоте порядка 0,5 м

В работе получены минимальные значения массовых расходов газа и воды необходимые для процесса образования гидрата. Изучено влияние различных начальных параметров на процессы миграции и образования гидратных пузырей в вертикальном канале.

Заключение

Таким образом, установлено, что в случае всплытия одиночного газового пузырька в открытом океане, процесс гидратообразования заканчивается быстрее, чем в случае подъема систем газовых пузырьков в вертикальном канале. Это обстоятельство главным образом связано с уменьшением интенсивности гидратообразования в канале вследствие увеличения температуры воды, вызванное выделением тепла при процессе образования гидрата.

Полученные в работе результаты исследований расширяют теоретические представления о процессе образования гидратных пузырьков на морских глубинах, которые в дальнейшем могут быть использованы при проведении комплекса инженерно–технологических мероприятий по сбору таких систем в условиях Мирового океана и последующего извлечения из них газа.

Литература

1. E.J. Sauter, S.I. Muyakshinb et al. Methane discharge from a deep-sea submarine mud volcano into the upper water column by gas hydrate-coated methane bubbles, 2006, № 243, pp. 1-36.

2. N.A. Gumerov, G.L. Chahine. Dynamics of bubbles in conditions of gas hydrate formation. Fluid Dynamics, № 5, pp 664-669.

3. E.J. Sautera et al. Methane discharge from a deep-sea submarine mud volcano into the upper water column by gas hydrate-coated methane bubbles // Earth and Planetary Science Letters. March 2006, № 243(3-4), pp. 354-365.

4. A.O. Maksimov, E.V. Sosedko Dynamics of sea bubbles covered by a hydrate skin // XVI Session of the Russian Acoustical Society Moscow, November 14-18, 2005, pp. 459-462.

5. Дмитриевский А.Н. Газогидраты морей и океанов - источник углеводородов будущего.- М.: ООО "ИРЦ Газпром", 2009, 416 с.