АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО ЛАГРАНЖЕВОГО МЕТОДА ДЛЯ ОПИСАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ГЛУБОКОВОДНОГО ИСТЕЧЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ ПОВРЕЖДЕНИЯХ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО ЛАГРАНЖЕВОГО МЕТОДА ДЛЯ ОПИСАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ГЛУБОКОВОДНОГО ИСТЕЧЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ ПРИ ПОВРЕЖДЕНИЯХ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

Научная статья

Кильдибаева С.Р. *

ORCID: 0000-0001-9586-8926,

Стерлитамакский филиал ФГБОУ ВО Башкирский государственный университет, Стерлитамак, Россия

* Корреспондирующий автор (freya.13[at]mail.ru)

Аннотация

В работе приводится математическая модель, описывающая распространение многофазной затопленной струи, возникновение которой обусловлено повреждением нефтедобывающей конструкции или морского трубопровода, через который транспортировались углеводороды. Исследованы особенности течения многофазных и однофазных (газовых) струй, рассмотрено влияние гидратообразования на параметры струи. Для расчета теплофизических параметров использован интегральный Лагранжевый  метод. В результате расчетов получены зависимости температуры и скорости струи от вертикальной координаты. Анализ данных зависимостей позволит спрогнозировать поведение струи, а также исследовать возможность использования устройств для ликвидации утечек.

Ключевые слова: нефтяной разлив, шельф, миграция пузырьков метана, гидратообразование, устранение утечек. 

SOME ASPECTS OF INTEGRAL GRAHANGE METHOD APPLICATION FOR DESCRIPTION OF FEATURES OF DEEP-WATER DRAINING OF OIL PRODUCTS IN CASE OF MARINE PIPELINES DAMAGE

Research article

Kildibaeva S.R. *

ORCID: 0000-0001-9586-8926,

Sterlitamak branch of FSBEI of HE Bashkir State University, Sterlitamak, Russia

* Corresponding author (freya.13[at]mail.ru)

Abstract

The author uses a mathematical model describing the propagation of a multiphase flooded jet caused by the damage to the oil-producing structure or the marine pipeline used for the transportation of hydrocarbons. The flow features of multiphase and single-phase (gas) jets are studied. The author also studied the effect of hydrate formation on the jet parameters. The integral Lagrange method is used to calculate the thermophysical parameters. As a result of these calculations, the author obtained the dependences of temperature and velocity on the vertical coordinate. Data analysis of dependencies allows predicting jet behavior and study the possibilities of application of devices for leak detection.

Keywords: oil spill, shelf, methane bubble migration, hydrate formation, leak elimination.

Введение

Исследованию особенностей ликвидации глубоководных техногенных разливов уделяется большое внимание в связи с увеличением объемов добычи нефти на шельфе Мирового океана. Данное направление нефтедобычи активно развивается в связи с практически нетронутыми запасами углеводородов, но на практике в случае аварии возрастает опасность разлива нефтепродуктов в водоем. Как показали случаи таких разливов в Мексиканском заливе [1], технологии, доступные на сегодняшний день, обладают рядом негативных аспектов: продолжительное время ликвидации разлива, отсутствие методов сбора углеводородов и учета влияния гидратообразования.

В связи с этим увеличивается интерес исследователей к моделированию устройств для сбора углеводородов при их разливе. Один из способов ликвидации утечки – установка устройства в форме купола над местом утечки. Такое устройство может производить сбор и дальнейшую транспортировку углеводородов. Купол крепится ко дну специальными тросами, к нему подключаются специальные трубки, которые позволяют откачивать нефтепродукты. Более подробная схема купола приводится в работах [2], [3]. Для моделирования работы устройства необходимо рассмотреть распространение струйных течений, характер течения которых зависит от состава струи, начальной скорости углеводородов и окружающей среды, а также температуры углеводородов и термобарических параметров окружающей воды [4].

Целью работы является математическое моделирование многофазных затопленных струй. Анализ динамики изменения теплофизических параметров струи позволит спрогнозировать поведением струи и расширить теоретические знания о распространении затопленных струй.

Актуальность работы связана с необходимостью исследования особенностей распространения нефтепродуктов при возможных утечках в воды Мирового океана. Прогноз миграции нефтепродуктов позволит расширить теоретические знания о процессе распространения углеводородов и уменьшить время устранения возможной утечки.

Постановка задачи и основные допущения

Рассмотрим на дне водоема поврежденную скважину или трубопровод, из которого вытекает смесь нефти и газа. Известны следующие параметры истечения: радиус, состав, температура, плотность, объемный расход. Также известны характеристики окружающей среды. Течение затопленной струи (схема приведена на рис.1) может быть описано с использованием  интегрального Лагранжевого метода. Суть метода заключается в следующем: струя представляется в виде элементарных объемов. Каждый такой объем характеризуется значениями температуры, скорости, плотности, координатами в пространстве, а также объемными содержаниями каждого типа углеводорода в струе. Так как параметры элементарного объема соответствуют параметрам струи, то получив зависимости температуры, скорости, плотности, координат и объемных содержаний в контрольном объеме, будем знать все аналогичные параметры затопленной струи.

Подробнее описание метода приведено в работе [4]. Траектория струи может искривляться из-за подводных течений. При моделировании распространения примем, что нефть и газ распространяются соответственно в виде капель и пузырьков. В зависимости от характеристик окружающей среды, где истекает струя, существует два варианта течения струи: с фазовыми превращениями и без. В первом случае температура и давление на глубине распространения струи таковы, что на пузырьках газа начинается процесс образования гидратной корки. Во втором случае значения температуры и давления не соответствуют условиям гидратообразования, и гидратная корка не образуется. В данной работе рассмотрим первый случай, соответствующий глубоководным разливам.

Процесс гидратообразования оказывает существенное влияние на параметры струи: например, так как гидратообразование является экзотермическим процессом, температура струи для двух описанных выше случаев может различаться. Интенсивность выделения тепла напрямую соответствует интенсивности гидратообразования и содержания газа в струе.

Для процесса гидратообразования будет характерна следующая динамика изменения пузырька: сначала он будет полностью газовым, затем на его поверхности начнет появляться гидрат (композитный пузырёк), затем пузырек полностью станет гидратным, что станет завершающим этапом.

Рис. 1 – Схема течения многофазной затопленной струи

  Запишем систему уравнений для многофазной струи:

где  – масса и плотность компонентов в струе;  – объемный расход «захваченной» в струю воды;  – объемный расход пузырьков, «покидающих» контрольный объем;  – радиус и плотность пузырька;  – теплоёмкость и температура КО,  – теплоёмкость и температура воды,  – теплоёмкость и массовое содержание компоненты в КО. Здесь и далее нижние индексы o – нефть,  g – газ, h – гидрат, w - вода.

Система уравнений (1) решается численно для параметров, соответствующих разливу нефти в Мексиканском заливе.

Результаты расчетов

Начальные параметры системы:

На рисунке 2 представлена зависимость температуры от вертикальной координаты. Здесь и далее сплошная линия ‒ случай, когда струя многофазная (состоит из газа и нефти), а штриховая линия ‒ случай однофазной газовой струи ( ). Начальная температура струи , окружающей среды . При течении струи происходит турбулентное вовлечение окружающей более холодной воды в струю, поэтому с увеличением вертикальной координаты температура струи уменьшается. Для случая газовой струи уменьшение температуры происходит более быстро, это связано с меньшим объемным содержанием углеводородов в струе.

Рис. 2 – Зависимость температуры струи по вертикальной координате

 

На рисунке 3 представлен график изменения скорости струи с увеличением вертикальной координаты. Начальное значение соответствует скорости, с которой углеводороды поступают из поврежденного трубопровода. По мере распространения струи происходит «захват» окружающей воды, струя становится более тяжелой. Уменьшение скорости струи связано с утяжелением струи и уменьшением начального импульса струи.

 

Рис. 3 – Зависимость скорости струи по вертикальной координате

  Заключение

В работе приводится уточненная математическая модель течения затопленной струи с учётом образования гидрата. Исследованы особенности течения многофазных и однофазных (газовых) струй, для расчета теплофизических параметров использован интегральный Лагранжевый  метод. В результате расчетов получены зависимости температуры и скорости струи от вертикальной координаты.

Полученные в работе зависимости теплофизических параметров позволят спрогнозировать процесс миграции углеводородов, проанализировать какой глубины они достигнут и за какое время, каким будет состав струи и температура. Такие данные о струе являются особенно важными для процесса ликвидации утечек и могут быть использованы для моделирования работы устройств для ликвидации утечек.

Финансирование Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №18-31-00264 мол_а.	Funding The study was carried out with the financial support of the Russian Federal Property Fund in the framework of the scientific project No. 18-31-00264 mol_a.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Akhmetov R.R. Oil spills from offshore drilling and development: causes and effects on plants and animals / Akhmetov R.R., Krainov S.A. // European Science. – 2017. – № 8 (30). – P. 16-21.
2. Gimaltdinov I.K. On the theory of accumulation of hydrocarbons in a dome used to eliminate a technogenic spill at the bottom of the ocean / Gimaltdinov I.K., Kildibaeva S.R. // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2018. – Vol. 91. – № 1. – P. 246-251.
3. Gimaltdinov I.K. About the theory of initial stage of oil accumulation in a dome-separator / Gimaltdinov I.K., Kildibaeva S.R. // Thermophysics and Aeromechanics. – 2015. – Vol. 22. № 3. – P. 387-392.
4. Gimaltdinov I.K. Model of a submerged jet accounting for two limiting schemes of hydrate formation / Gimaltdinov I.K., Kildibaeva S.R. // Thermophysics and Aeromechanics. –2018. –Vol. 25. № 1. –P. 75-83.