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.