procyberВестник кибернетикиProceedings in Cybernetics1999-7604Бюджетное учреждение высшего образования Ханты-Мансийского автономного округа – Югры «Сургутский государственный университет»10.34822/1999-7604-2021-2-60-71procyber-363Research ArticleФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИPhysics and MathematicsЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗЛОЖЕНИЯ ГАЗОГИДРАТА В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ, ВЫЗВАННОГО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ НАГРЕВОМNUMERICAL SIMULATION OF THE DECOMPOSITION OF GAS HYDRATE IN A POROUS MEDIUM USING MICROWAVE HEATINGСысоевС. М.SysoevS. M.

E-mail: smsysoev57@mail.ru

E-mail: smsysoev57@mail.ru

АлексеевМ. М.AlekseevM. M.ПетровЕ. А.PetrovE. A.Сургутский государственный университет, СургутРоссияSurgut State University, SurgutRussian Federation20213006202102 (42)6071Copyright © Сысоев С.М., Алексеев М.М., Петров Е.А., 20212021Сысоев С.М., Алексеев М.М., Петров Е.А.Sysoev S.M., Alekseev M.M., Petrov E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestcyber.ru/jour/article/view/363

В работе представлены численные исследования двумерной осесимметричной модели разложения гидрата газа в пористых средах под действием сверхвысокочастотного электромагнитного нагрева. Система уравнений включает в себя уравнения баланса массы газовой, водной и гидратной фаз, уравнение энергетического баланса, обобщенный закон Дарси для воды и газа, уравнение кинетики Ким – Бишной для реакции разложения гидрата. Система замкнута условием равновесия смеси. Система уравнений сводится к четырем дифференциальным уравнениям относительно температуры, давления, гидрато- и водонасыщенности с соответствующими граничными и начальными условиями. Моделирование разложения гидрата газа в пористых средах под действием сверхвысокочастотного электромагнитного нагрева проводилось методом конечных элементов. При моделировании использованы физические параметры, характерные для типичного газогидратного пласта. Время нагрева резервуара составляло 10 суток. В результате исследования модели получены пространственные и временные распределения температуры, давления, гидрато-, водо- и газонасыщенности в пласте. Произведен расчет массы газа, выделившегося при диссоциации газогидрата. Выполнена оценка энергоэффективности электромагнитного нагрева. Результаты вполне применимы на практике, а метод электромагнитного нагрева технически достижим иконкурентоспособен.

Numerical studies are performed with the two-dimensional axisymmetric model of gas hydrate decomposition in porous media under the action of microwave heating. The system of equations describing the above process includes the mass balance equations of gas, water and hydrate phases, the energy balance equation, generalized Darcy’s law for water and gas, and the Kim–Bishnoi kinetics equation for hydrate decomposition reaction. The system of equations resolves itself into four differential equations relative to temperature, pressure, volume hydrate, water, and gas saturation with appropriate boundary and initial conditions. Simulation of gas hydrate decomposition in porous media under the action of microwave heating is carried out by finite element method. Physical parameters characteristic of a typical hydrate reservoir are used in the modeling. The reservoir was heated for ten days. Spatial and temporal distribution of temperature, pressure, hydrate, water, and gas saturation were obtained. The mass of gas evolved during hydrate dissociation was determined. The calculation of the energy efficiency of electromagnetic heating was carried out. These results are quite usable from a practical standpoint, and the electromagnetic heating method is technically achievable and competitive.

математическая модельпористая средасверхвысокочастотный электромагнитный нагревразложение газогидратовдобыча газа.mathematical modelporous mediummicrowave heatinggas hydrates decompositiongas production.ReferencesМакогон Ю. Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы // Рос. химич. журнал. 2003. Т. XLVTI, № 3. С. 70–79.Макогон Ю. Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы // Рос. химич. журнал. 2003. Т. XLVTI, № 3. С. 70–79.Chong Z. R., Yang S. H B., Babu P., Linga P., Li X.-S. Review of Natural Gas Hydrates as an Energy Resource: Prospects and Challenges // Applied Energy. 2016. Vol. 162. P. 1633–1652.Chong Z. R., Yang S. H B., Babu P., Linga P., Li X.-S. Review of Natural Gas Hydrates as an Energy Resource: Prospects and Challenges // Applied Energy. 2016. Vol. 162. P. 1633–1652.Fitzgerald G. C., Castaldi M. J. Thermal Stimulation Based Methane Production from Hydrate Bearing Quartz Sediment // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2013. Vol. 52. P. 6571–6581.Fitzgerald G. C., Castaldi M. J. Thermal Stimulation Based Methane Production from Hydrate Bearing Quartz Sediment // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2013. Vol. 52. P. 6571–6581.Yang J., Okwananke A., Tohidi B., Chuvilin E., Maerle K., Istomin V. et al. Flue Gas Injection into Gas Hydrate Reservoirs for Methane Recovery and Carbon Dioxide Sequestration // Energy Convers Manage. 2017. Vol. 136, P. 431–438.Yang J., Okwananke A., Tohidi B., Chuvilin E., Maerle K., Istomin V. et al. Flue Gas Injection into Gas Hydrate Reservoirs for Methane Recovery and Carbon Dioxide Sequestration // Energy Convers Manage. 2017. Vol. 136, P. 431–438.Кислицын А. А. Тепломассоперенос в многофазных системах под воздействием высокочастотного электромагнитного излучения : автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. Тюмень, 1997. 46 с.Кислицын А. А. Тепломассоперенос в многофазных системах под воздействием высокочастотного электромагнитного излучения : автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. Тюмень, 1997. 46 с.Саяхов Ф. Л., Ковалева Л. А., Насыров Н. М. Изучение особенностей тепломассообмена в призабойной зоне скважин при нагнетании растворителя с одновременным электромагнитным воздействием // Инженерно-физический журнал. 2002. Т. 75, № 1. С. 95–99.Саяхов Ф. Л., Ковалева Л. А., Насыров Н. М. Изучение особенностей тепломассообмена в призабойной зоне скважин при нагнетании растворителя с одновременным электромагнитным воздействием // Инженерно-физический журнал. 2002. Т. 75, № 1. С. 95–99.Фатыхов М. А., Худабердина А. И. Комбинированные методы воздействия на нефтяные пласты на основе электромагнитных эффектов. Уфа : Изд-во БГПУ, 2010. 112 с.Фатыхов М. А., Худабердина А. И. Комбинированные методы воздействия на нефтяные пласты на основе электромагнитных эффектов. Уфа : Изд-во БГПУ, 2010. 112 с.Давлетбаев А. Я., Ковалева Л. А. Моделирование добычи высоковязкой нефти с использованием электромагнитного воздействия в сочетании с гидроразрывом пласта // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52, № 6. С. 927–933.Давлетбаев А. Я., Ковалева Л. А. Моделирование добычи высоковязкой нефти с использованием электромагнитного воздействия в сочетании с гидроразрывом пласта // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52, № 6. С. 927–933.Сысоев С. М., Алексеев М. М. Численное моделирование нагрева нефтесодержащего пласта сверхвысокочастотным электромагнитным излучением // Вестник кибернетики. 2019. Т. 36, № 4. С. 6–16.Сысоев С. М., Алексеев М. М. Численное моделирование нагрева нефтесодержащего пласта сверхвысокочастотным электромагнитным излучением // Вестник кибернетики. 2019. Т. 36, № 4. С. 6–16.He S., Liang D., Li D., Ma L. Experimental Investigation on the Dissociation Behavior of Methane Gas Hydrate in an Unconsolidated Sediment by Microwave Stimulation // Energy Fuels. 2010. Vol. 25. P. 33–41.He S., Liang D., Li D., Ma L. Experimental Investigation on the Dissociation Behavior of Methane Gas Hydrate in an Unconsolidated Sediment by Microwave Stimulation // Energy Fuels. 2010. Vol. 25. P. 33–41.Zhao J., Fan Z., Wang B., Dong H., Liu Y., Song Y. Simulation of Microwave Stimulation for the Production of Gas from Methane Hydrate Sediment // Applied Energy. 2016. Vol. 168. P. 25–37.Zhao J., Fan Z., Wang B., Dong H., Liu Y., Song Y. Simulation of Microwave Stimulation for the Production of Gas from Methane Hydrate Sediment // Applied Energy. 2016. Vol. 168. P. 25–37.Wang B., Dong H., Fan Z., Liu Y., Lv X., Liu S., Zhao J. Numerical Analysis of Microwave Stimulation for Enhancing Energy Recovery from Depressurized Methane Hydrate Sediments // Applied Energy. 2020. Vol. 262. P. 1–14.Wang B., Dong H., Fan Z., Liu Y., Lv X., Liu S., Zhao J. Numerical Analysis of Microwave Stimulation for Enhancing Energy Recovery from Depressurized Methane Hydrate Sediments // Applied Energy. 2020. Vol. 262. P. 1–14.Басниев К. С., Нифантов А. В. Трехмерная математическая модель разложения гидратов метана в пористой среде под действием тепла // Наука и техника в газовой промышленности. 2004. № 1–2. С. 90–95.Басниев К. С., Нифантов А. В. Трехмерная математическая модель разложения гидратов метана в пористой среде под действием тепла // Наука и техника в газовой промышленности. 2004. № 1–2. С. 90–95.Kim H. C., Bishnoi P. R., Heidemann R. A., Rizvi S. S. H. Kinetics of Methane Hydrate Decomposition // Chemical Engineering Science. 1987. Vol. 42, № 7. P. 1645–1653.Kim H. C., Bishnoi P. R., Heidemann R. A., Rizvi S. S. H. Kinetics of Methane Hydrate Decomposition // Chemical Engineering Science. 1987. Vol. 42, № 7. P. 1645–1653.Ellison W. J. Permittivity of Pure Water, at Standard Atmospheric Pressure, over the Frequency Range 0-25 THz and the Temperature Range 0-100 °C // J Phys Chem Ref Data. 2007. Vol. 36, № 1. P. 1–18.Ellison W. J. Permittivity of Pure Water, at Standard Atmospheric Pressure, over the Frequency Range 0-25 THz and the Temperature Range 0-100 °C // J Phys Chem Ref Data. 2007. Vol. 36, № 1. P. 1–18.Бондарев Э. А., Попов В. В. Динамика образования гидратов при добыче природного газа // Вычислительные технологии. 2002. Т. 7, № 1. С. 28–33.Бондарев Э. А., Попов В. В. Динамика образования гидратов при добыче природного газа // Вычислительные технологии. 2002. Т. 7, № 1. С. 28–33.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.