Теоретическая модель накопления углеводородов в куполе с учётом гидратообразования, лимитирующегося теплообменом

Abstract

Актуальность исследования связана с увеличением масштабов добычи углеводородов в шельфовой зоне Мирового океана и сопутствующими рисками аварийных разливов углеводородов. В качестве одного из способов ликвидации последствий глубоководных утечек предлагается установка купола над местом утечки. При ликвидации разлива нефти на нефтедобывающей платформе Deepwater Horizon была предпринята попытка установки устройства в виде купола, но гидраты, накопленные внутри купола, придавали конструкции плавучесть, вследствие чего купол всплывал и не мог быть зафиксирован. В связи с этим необходимо исследовать процесс гидратообразования и исключить его негативное влияние на работу купола. Для описания гидратообразования на поверхности пузырьков метана предложена предельная схема, согласно которой гидратообразование лимитируется теплообменом. В более ранних работах было рассмотрено накопление углеводородов с учётом гидратообразования, лимитируемого диффузией, что является другим предельным случаем описания гидратообразования. Исследуется математическая модель работы купола. В устройстве предусмотрены трубки для откачки накопленных углеводородов, это позволит избежать проблем с всплытием купола из-за накопления газа и гидрата. Цель: исследовать особенности накопления углеводородов (нефти, газа, гидрата) в куполе для случая, когда гидратообразование лимитируется теплообменом с окружающей средой. Объект: струя углеводородов, состоящая из воды, капель нефти, пузырьков газа и композитных пузырьков, которая попадая в купол, приводит к накоплению углеводородов в нём. Теплофизические характеристики окружающей среды соответствуют условиям стабильного существования гидрата. Методы. Построена математическая модель накопления углеводородов в куполе. Для описания процессов тепломассопереноса использована система уравнений, включающая законы сохранения масс для компонентов, поступающих из струи (газ, нефть и гидрат), уравнения сохранения энергии для слоев газа и нефти, а также вспомогательные уравнения для расчетов тепловых потоков. Результаты. Рассмотрен процесс накопления углеводородов в куполе в случае, когда гидратообразование на поверхности пузырьков метана лимитируется теплообменом. Когда плотность композитных пузырьков больше плотности нефти, слой гидрата (образованного композитными пузырьками) накапливается между слоями нефти и воды, в случае, когда плотность пузырька меньше плотности нефти, слой гидрата (образованного композитными пузырьками) накапливается между слоями газа и нефти. Определены температурные поля для углеводородов, накопленных внутри купола. С течением времени температуры слоев газа и нефти стремятся к температуре поступающих из струи нефти и газа.

The relevance of the research is related to the increase in the scale of hydrocarbon production in the offshore zone of the world ocean and the associated risks of accidental spills of hydrocarbons. In this regard, it is necessary to study the mathematical model of the dome, designed to eliminate deep-sea leaks. According to the formulation of the problem, the thermophysical characteristics of the environment correspond to the conditions of stable existence of hydrate. To describe hydrate formation on the surface of methane bubbles, a limit scheme is proposed, according to which hydrate formation is limited by heat exchange. In earlier works, the accumulation of hydrocarbons was considered, taking into account the hydrate formation limited by diffusion, which is another limiting case of describing hydrate formation. The main aim of the research is to study the features of hydrocarbon accumulation (oil, gas, hydrate) in the dome for the case when hydrate formation is limited by heat exchange with the environment. Object of research is a stream of hydrocarbons consisting of water, oil droplets, gas bubbles and composite bubbles, which leads to the accumulation of hydrocarbons in the dome when gets into it. The thermophysical characteristics of the environment correspond to the conditions of stable existence of hydrate. Methods. The mathematical model of hydrocarbon accumulation in the dome is constructed. For describing heat and mass transfer the authors have used the system of equations that includes conservation laws for mass of gas, oil and hydrate, equation of energy conservation for the layers of gas and oil, as well as auxiliary equations for calculating heat flows. Result. The paper considers the process of hydrocarbon accumulation in the dome in the case when hydrate formation on the surface of methane bubbles is limited by heat exchange. When the density of the composite bubbles greater than the that of oil, a layer of hydrate (formed composite bubbles) is accumulated between the layers of oil and water; in the case when the density of the bubble is less than that of oil, a layer of hydrate (formed composite bubbles) is accumulated between the layers of oil and gas. The authors determined the temperature field for hydrocarbons accumulated inside the dome. Over time, the temperature of the layers of gas and oil tend to temperature of oil and gas coming from the jet.