ИССЛЕДОВАНИЕ МИГРАЦИИ МЕТАНОВЫХ ПУЗЫРЬКОВ С УЧЕТОМ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ

Кильдибаева С.Р.

Аспирант, Стерлитамакский филиал Башкирского государственного университета

ИССЛЕДОВАНИЕ МИГРАЦИИ МЕТАНОВЫХ ПУЗЫРЬКОВ С УЧЕТОМ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ

Аннотация

Газовые гидраты рассматриваются в качестве альтернативного источника энергии многими специалистами в области природопользования и энергетики. Компактность газогидратов, вмещающих большие объемы газа, особенно полезна при транспортировке и хранении газа. Учеными выявлено, что со дна всего Мирового океана в толще воды поднимаются газовые пузырьки. В работе рассматривается миграция метановых пузырьков внутри устройства, предназначенного для накопления и дальнейшей транспортировки газогидратов. При образовании гидратной корки на метановых пузырьках примем, что кинетика гидратообразования лимитируется теплоотводом.

Ключевые слова: газогидраты, гидратная частица, добыча газогидратов, накопление гидратов в куполе.

 Kildibaeva S.R.

Post graduate student, Sterlitamak branch of Bashkir State University

RESEARCH OF MIGRATION METHANE BUBBLES TURNS INTO HYDRATE

Abstract

Gas hydrates are considered as an alternative source of energy and a lot of specialists in the area of environment and energy. Compactness of gas hydrates contain more gas volumes, particularly useful during transportation and storage of gas. Scientists found that from the bottom of the ocean in the water column rising gas bubbles. In the paper the migration of methane bubbles inside the device intended for accumulation and further transportation of gas hydrates. In the formation of hydrated peel methane bubbles will accept that the kinetics of hydrate formation is limited by the heat sink.

Keywords: gas hydrates, hydrate particles, extraction of gas hydrates, hydrates accumulation in the dome

Исследования Мирового океана [5, 6], свидетельствуют о непрерывных выбросах пузырьков метана. Особый интерес для исследователей представляет процесс покрытия газовых пузырьков гидратной коркой, образование которой характерно для всплытия метановых пузырьков. Процесс гидратообразования связан с термобарическими условиями характерными для дна Мирового океана. Единичный объем газового гидрата, содержащий в 160 м³ раз больше газа, чем в свободном состоянии [1], позволяет рассматривать гидрат как один из наиболее перспективных источников углеводородного сырья.

Схема процесса накопления гидратных частиц внутри купола представлена на рис. 1. Согласно предлагаемой схеме на дне водоема имеется источник метановых пузырьков с известным массовым расходом M_g и купол цилиндрической формы, зафиксированный на некоторой высоте . Верхняя крышка купола закрыта, нижняя открыта. Таким образом, внутри купола могут проникать и накапливаться пузырьки метана.

Будем полагать, что нижнее основание купола зафиксировано на такой высоте h, что температура окружающей воды T_l  ниже равновесной температуры гидратообразования T_s:

Предположим, что пока температура воды внутри купола не превышает температуру гидратообразования согласно (1), пузырьки газа покрываются газогидратной коркой. Пусть n – число пузырьков в единице объёма. Считаем, что пузырьки не слипаются и не деформируются. Пусть w – скорость миграции гидратной частицы, υ_l – скорость воды, покидающей купол, υ_gh = w – υ_l – скорость поднятия частиц внутри купола.

 

Рис. 1 - Схема процесса всплытия метановых пузырьков в куполе-сепараторе. H и R – высота и радиус основания купола, белыми кругляшками обозначены пузырьки газа, серыми – частицы гидрата, белыми и серыми – пузырьки, покрывающиеся гидратной коркой.

Уравнения сохранения числа пузырьков, сохранения масс для пузырьков газа и воды [4] запишутся в следующем виде:

здесь и далее индексы l, h, gh – относятся к воде, гидрату и гидратной частице, J_h и J_l – интенсивность i-й фазы, α– объемное содержание пузырьков; ρ⁰_gh – средняя плотность газогидратного пузырька.

Приведенные уравнения необходимо дополнить следующими соотношениями:

где a – радиус газогидратного пузырька.

Уравнения импульсов для газогидратных пузырьков и для жидкости в безынерционном приближении соответственно могут быть записаны в виде [4]:

где f – сила трения между пузырьком и водой.

Запишем уравнение для изменения температуры жидкости, за счет температурного следа пузырьков, возникающего вследствие гидратообразования:

где T_l и c_l – температура и теплоемкость воды; Q и q – интенсивности источника тепла из-за гидратообразования, отнесенные на единицу объема и однородного пузырькового включения. Здесь и далее нижние индексы g, l, h относятся к параметрам газа, воды и гидрата.

Жидкость будем считать несжимаемой, а газ калорически совершенным:

Полагаем, что газогидратные пузырьки состоят из газового ядра радиусом a_g и гидратной «скорлупы». Тогда для средней плотности ρ⁰_gh:

Выражение (11) разрешим относительно плотности газогидратного пузырька, которое будет иметь вид:

Следовательно, средняя плотность ρ⁰_gh газогидратного пузырька определяется значениями радиусов газового ядра  a_g  и всего пузырька a, а также текущей плотностью газа ρ⁰_g.

В газогидратном пузырьке газ содержится как в свободном состоянии, так и в составе гидрата с массовым содержанием G. Запишем условие постоянства общей массы газа в пузырьке как:

где a_g0, ρ⁰_g0  –искомые значения радиуса и плотности газа в пузырьке.

Интенсивность образования гидратного пузырька лимитируется интенсивностью отвода тепла от его поверхности жидкостью:

где l – удельная теплота образования гидрата.

В работе рассмотрен теоретические основы процесса всплытия пузырьков метана внутри купола и их превращение в гидратные частицы. При рассмотрении модели было принято, что интенсивность образования гидратного пузырька лимитируется интенсивностью отвода тепла.

Работа выполнена при поддержке гранта СФ БГУ, договор № В14-6.

 

Литература

1. Макогон Ю. Ф. Гидраты природных газов. – М.: Недра, 1974. – 285с
2. Математическое моделирование процесса отбора газа из пористой среды, частично насыщенной газовым гидратом // Кильдибаева С.Р.// Фундаментальные исследования. № 11 (часть 6) 2013, стр. 1163-1166.
3. Моделирование купола-сепаратора при разливе нефти в шельфе // Кильдибаева С.Р. // Фундаментальные исследования. 2013. № 10 (часть 5). с. 1045-1050.
4. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. Т. 1. – М.: Наука, 1987.– 464 с.
5. Gumerov N.A., Chahine G.L. Dynamics of bubbles in conditions of gas hydrate formation // Fluid Dynamics. 1992. № 5. pp. 664-669.
6. Sautera E.J. 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. № 243(3-4). pp. 354-365.

References

1. Makogon Y.F. Natural gas hydrates. - Moscow: Nedra, 1974. – 285 р.
2. Mathematical modeling of gas extraction from a porous medium partially saturated gas hydrates // Kildibaeva S. R. // Fundamental research. Number 11 (Part 6) 2013, pp. 1163-1166.
3. Modeling dome separators for oil spills on the shelf // Kildibaeva S. R. // Fundamental research. Number 10 (Part 5) 2013, pp. 1045-1050.
4. Nigmatulin I. Dynamics of Multiphase Media. T. 1. - Moscow: Nauka, 1987. – 464 р.
5. Gumerov N.A., Chahine G.L. Dynamics of bubbles in conditions of gas hydrate formation // Fluid Dynamics. 1992. № 5. pp. 664-669.
6. Sautera E.J. 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. № 243(3-4). pp. 354-365.