Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Оглавление

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ
• 1.1 Состав и структура
• 1.2 Свойства
• 2. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТОВ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ И БОРЬБА С НИМИ
• 2.1 Ввод антигидратных ингибиторов для ликвидации гидратных пробок
• 2.2 Ликвидация гидратных пробок методом снижения давления
• 2.3 Ликвидация гидратных пробок в трубопроводах природных и сжиженных газов путём подогрева
• 2.4 Ингибиторы для борьбы с образованием гидратов


ВВЕДЕНИЕ

В последнее время интерес к проблеме природных и техногенных газовых гидратов заметно усилился во всём мире. Связано это с осознанием того факта, что для человечества в долгосрочной перспективе природные газовые гидраты могут стать последним реальным источником природного газа в силу весьма значительных ресурсов, неглубокого залегания и концентрированного состояния газа в них. Кроме того, расширяются геологические представления о существенной роли процессов образования и разложения газовых гидратов в глобальных природных процессах.

В связи с выходом на добычу нефти и газа в экстремальных условиях (в зоны распространения многолетнемерзлых пород, в акватории Мирового океана на большие глубины) всё более обостряется и проблема техногенного гидратообразования в системах сбора продукции газовых, конденсатных и газонефтяных скважин.

Техногенные газовые гидраты могут образовываться в системах добычи газа: в призабойной зоне, в стволах скважин, в шлейфах и внутрипромысловых коллекторах, в системах промысловой и заводской подготовки газа, а также в магистральных газотранспортных системах. В технологических процессах добычи, подготовки и транспорта газа твердые газовые гидраты вызывают серьезные проблемы, связанные с нарушением протекания этих процессов.

В технологических процессах добычи, подготовки и транспорта газа твердые газовые гидраты вызывают серьезные проблемы, связанные с нарушением указанных технологических процессов. Для борьбы с гидратами разработан ряд методов том числе и методы, использующие химические реагенты - ингибиторы гидратообразования.

1. ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ

1.1 Состав и структура

Гидраты природных газов представляют собой физико-химическое соединение воды с углеводородами. По внешнему виду это белая кристаллическая масса, похожая на лед или снег.

Гидраты относятся к веществам, B которых молекулы одних компонентов размещены B полостях решетки между узлами ассоциированных молекул другого компонента. Такие соединения обычно называют твердыми растворами внедрения, а иногда соединениями включения.

По современным представлениям молекулы гидратообразователей в полостях между узлами ассоциированных молекул воды гидратной решетки между узлами ассоциированных молекул

Рис. 1. Структура образования гидратов ( КС-1, КС-2)

Компоненты природного газа (СН4, С2Н6, С3Н8, изобутан, 02, N2, H2S и т.п.) образуют как индивидуальные, так и смешанные гидраты. Недавно установлено образование гидратов Н2, Не, Ne, но при очень высоких давлениях, не характерных для условий криолитозоны. Для более тяжелых углеводородных газов, начиная с С5 (кроме неопентана), образование гидратов не установлено. Объясняется это особенностями молекулярной структуры (ограниченными размерами ячеек) газогидратов.

Структура многих гидратов определена рентгеноструктурными исследованиями и кристаллохимическим моделированием. Установлено, что молекулы воды образуют полиэдрический каркас (т.е. решетку «хозяина»), в котором имеются полости. Их могут занимать молекулы газов (молекулы «гости»), которые связаны с каркасом «хозяина» ван-дер-ваальсовским взаимодействием.

Следовательно, гидраты газов относятся к клатратным соединениям (или соединениям включения). Содержащаяся в них вода служит структуро определяющей компонентой, образуя ажурный каркас из своих молекул, тогда как вторая компонента - молекулы газов и некоторых летучих органических жидкостей - частично или полностью заполняет полости этого каркаса. Иногда одиночные гидрофобные молекулы воды могут заполнять полости, конкурируя с молекулами газов. Однако практическое значение этого эффекта для газовых гидратов, по-видимому, невелико.

В природе наиболее распространены гидраты кубических структур КС-1 и КС-2 (чаще их обозначают I и II), остальные структуры встречаются только при искусственном синтезе.

1.2 Свойства

Основными свойствами газовых гидратов, необходимыми при моделировании их существования в природе, следует считать следующие:

- теплофизические (теплоемкость, теплопроводность, теплота фазовых переходов);

- физико-механические (модули Юнга, Пуассона, скорость звука);

- электрические свойства (электропроводность, диэлектрическая постоянная);

- удельное содержание газа в гидратах.

Поскольку гидраты являются льдоподобной структурой (каркас водных молекул с ван-дер-ваальсовыми связями), то многие свойства гидратов схожи со свойствами льда (кроме теплопроводности) (табл. 5). В этой таблице часть свойств получена оценочным путем, т.к. проведение экспериментов с гидратами в некоторых случаях требует очень сложного оборудования с высоким давлением.

Таблица 1

Некоторые свойства газовых гидратов

Такие параметры газогидратов, как плотность и удельное газосодержание, зависят от молекулярной массы газо-гидратообразователя, типа структуры, состава, степени заполнения гидратных полостей, наличия посторонних включений и дефектов кристаллической решетки. При идеальном заполнении

КС-1 молекулами метана (СН4*5,75Н20) удельное газосодержание гидрата при разложении составляет 170,6 м3/м3, при плотности 916 кг/м3 и выше, целесообразно пользоваться формулой СН4*6Н20. В этом случае удельное газосодержание при разложении гидрата составляет 164,5 м3 /м3 ,а плотность- 911 кг/м3.

1.3 Условия образования гидратов

Основными факторами, определяющими условия образования гидратов природных газов в скважине, являются состав газа, давление, температура, наличие свободной капельной влаги, а также степень минерализации. Все исходные данные для получения предварительного прогноза начала гидратообразования, а именно начало процесса для наиболее важно, можно взять по соседним площадям, параметрическим скважинам в районе, а по первым скважинам уточнить, но с «оглядкой» на прогноз. Иначе возможен риск аварийности.

Наиболее точно для каждого конкретного месторождения равновесные условия гидратообразоваания определяются в лабораторных или в промысловых условиях с помощью лабораторных установок.

Давление на забое и по стволу простаивающей и работающей скважины можно определить с помощью глубинного манометра либо вычислить по барометрическим формулам. Определение величины давления по стволу скважины в целях предсказания возможного места образования гидратов необходимо производить в 5-6 точках ствола скважины (но не реже, чем через 400-500 м).

Температура газа является одним из основных факторов, определяющих условия образования гидратов. Если же учесть, что давление в скважине обычно вполне достаточно для образования гидратов, и что в потоке газа в стволе скважины обязательно присутствует капельная влага, выпадающая из газа при его охлаждении, то температура газа является определяющим фактором. Отсюда следует исключительная важность точного определения этого параметра для прогнозирования возможности и места образования гидратов в скважинах. На температуру газа, движущегося по стволу скважины, влияет множество факторов: дросселирование газа в призабойной зоне и по стволу скважины, теплообмен с окружающими горными породами, механическая работа подъема газа, трение газа о стенки скважины, выделение скрытой теплоты парообразования при конденсации воды и тяжелых углеводородов и др. Из-за большого количества параметров влияющих на температуру газа, а также невозможности точного определения некоторых из них, расчетные способы определения температуры не очень точны. Поэтому наиболее точные и полные сведения о распределении температуры в потоке газа в скважине можно получить непосредственным замером при помощи электрического термометра сопротивления, применяющегося при промысловых геофизических исследованиях скважин.

Гидратообразование в условиях Севера происходит во всех газовых и газоконденсатных скважинах.

2. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТОВ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ И БОРЬБА С НИМИ

Эффективным и надежным методом предупреждения образования гидратов является осушка газа перед поступлением его в трубопровод. Необходимо, чтобы осушка производилась до той точки росы, которая обеспечивала бы нормальный режим транспорта газа. Как правило, осушку осуществляют до точки росы на 5-6°C ниже минимально возможной температуры газа в газопроводе.

Рис. 2. Схема накопления гидратов на замерной диафрагме.

1 - газопровод; 2 - гидраты; 4 - диафрагма

газовый гидрат природный

Образование гидратов в скважинах, шлейфах или магистральных газопроводах можно предупредить, если вводить антигидратные ингибиторы. Для определения места их ввода определяют зону термодинамических условий гидратообразования. Гидраты образуются в области, где имеются достаточно низкая температура, достаточно высокое давление и капельная влага.

Ингибиторы гидратоотложения - вещества, изменяющие консистенцию гидратной массы (т.е. делающие ее текучей) и/или меняющие условия алгезии (прилипания) гидратов к внутренним поверхностям промысловых коммуникаций (это и предупреждает отложение гидратов на внутренней стенке трубопровода)

Ввод антигидратных ингибиторов в трубопровод может осуществляться самотеком или принудительной подачей. При вводе самотеком количество подаваемого ингибитора зависит от диаметра трубопровода. Такие установки просты и дешевы, но не обеспечивают непрерывного ввода ингибитора, регулировку и контроль за его количеством. Они не надежны в работе из-за возможного засорения и требуют ежедневного обслуживания. Принудительная подача ингибиторов в трубопровод осуществляется с помощью дозировочных насосов. Подача ингибиторов через распылители обеспечивает большую поверхность контакта ингибитора с газом.

При отрицательных температурах как летучие (метанол, аммиак и др.), так и нелетучие (гликоли) ингибиторы при вводе в трубопровод в основном остаются в жидком состоянии, поэтому распыление их целесообразно.

2.1 Ввод антигидратных ингибиторов для ликвидации гидратных пробок

Место образования гидратной пробки обычно удается определить по росту перепада давления на данном участке газопровода. Если пробка не сплошная, то в трубопровод через специальные патрубки, штуцера для манометров или через продувочную свечу вводят ингибитор. Если в трубопроводе образовались сплошные гидратные пробки небольшой длины, их иногда удается ликвидировать таким же путем. При длине пробки, исчисляемой сотнями метров, ликвидация ее указанным методом может затянуться на длительное время. В этом случае над гидратной пробкой вырезают в трубе несколько окон и через них заливают метанол. Затем трубу заваривают вновь.

Для быстрого разложения гидратной пробки применяют комбинированный способ: одновременно с вводом ингибитора в зоне образования гицратов снижают давление.

2.2 Ликвидация гидратных пробок методом снижения давления

Сущность этого метода заключается в нарушении равновесного состояния гидратов, в результате чего происходит их разложение.

Давление снижают тремя способами:

· отключают участок газопровода, где образовалась пробка, и с двух сторон через продувочные свечи сбрасывают газ в атмосферу;

· перекрывают линейные края с одной стороны и выпускают в атмосферу газ, заключенный между пробкой и одним из перекрытых кранов;

· отключают участок газопровода с обеих сторон пробки и сбрасывают в атмосферу газ, заключенный между пробкой и одним из перекрытых кранов.

Наилучшие результаты получают в первом случае, хотя и при больших потерях газа. Во втором и третьем случаях одностороннее снижение давления может привести к срыву гидратов, удару и аварии.

После разложения гидратов скважину продувают, но при этом часто не учитываются возможности накопления жидких углеводородов на продуваемом участке и образования повторных гидрато-ледяных пробок за счет резкого снижения температуры.

При отрицательных температурах нельзя использовать метод снижения давления, так как вода, образовавшаяся в результате разложения гидратов, переходит в лед и образует ледяную пробку.

В этом случае метод снижения давления используют в комбинации с вводом в трубопровод ингибиторов. Количество ингибитора должно быть таким, чтобы при данной температуре полученный раствор не замерзал.

2.3 Ликвидация гидратных пробок в трубопроводах природных и сжиженных газов путём подогрева

При этом способе повышение температуры выше равновесной температуры образовании гидратов приводит к их разложению. На практике трубопровод подогревают открытым огнем, горячей водой или паром. Предпочтительнее использовать горячую воду или пар.

Применение открытого огня нежелательно. Например, на одном из газопроводов для ликвидации сплошных гидратных пробок использовали открытый огонь, в результате чего на трубе образовались гофры. В дальнейшем под влиянием низких наружных температур в трубах образовались трещины длиной 450 мм и глубиной 6 мм.

Лабораторные исследования показывают, что повышение температуры в точке контакта гидрата и металла до 30-40°С достаточно для: быстрого разложения гидратов.

2.4 Ингибиторы для борьбы с образованием гидратов

Ингибитор гидратообразования предназначен для предотвращения образования газовых гидратов в призабойной зоне, стволах скважин, промысловых коллекторах, системах сбора, подготовки газа и магистральных газопроводах.

В течение многих лет метанол и гликоли традиционно использовались в качестве ингибиторов гидратообразования, но при существующих на сегодняшний день ценах на нефть возникает необходимость поиска более дешевых методик ингибирования. Перед нефте- и газодобывающей промышленностью поставлена непростая задача разработка альтернативных, экономически выгодных и не оказывающих отрицательного воздействия на окружающую среду ингибиторов гидратообразования. Такие новые ингибиторы могут привести к значительным сокращениям расходов не только благодаря более низкой цене на ингибиторы, но и благодаря снижению объемов нагнетания, закачки и сокращению площадей для хранения.

Из литературных данных различаются несколько типов ингибиторов гидратов

- термодинамические ингибиторы, которые используются при больших дозировках (10-60 %) и механизм ингибирования которых заключается в изменении химического потенциала водной или гидратной фаз до таких степеней, что равновесное состояние смещается в область более низких температур или более высоких давлений. Это метанол, этиленгликоль и т.д.

- кинетические ингибиторы, которые используются при низких концентрациях (до 1 %). Механизм их действия не связан с термодинамикой. Они напрямую замедляют рост кристаллов или образование гидратов. Представителями кинетических ингибиторов являются полимеры винилпирролидона, винилкапролактама, сахаридов (оксиалкилат целлюлозы). Большим преимуществом ингибиторов кинетического типа стала дозировка, которая кратно ниже дозировок термодинамических ингибиторов. Это позволяет существенно снизить операционные затраты. Кинетические ингибиторы гидратообразования (КИГ) также относятся к категории «экологичных», что снижает риски при транспортировке, хранении и применении. В связи с перечисленными преимуществами в последнее десятилетие КИГ набирают все большую популярность у добывающих компании? при выборе методов борьбы с гидратообразованием.

Как показывает опыт, каждая система требует индивидуального подхода, и ингибитор должен быть изготовлен специально для этой системы по заданным свойствам. В этом случае, для принятия решения следует учитывать и химические свойства воды, состав газа, температуру и область применения. Учет и использование всей этой информации позволяют подобрать наиболее подходящий материал и представляет собой комплексный системный подход. Ключ к успеху состоит в полной интеграции хорошо разработанного научно-технического проекта, детального плана применения и эффективной мониторинговой программы.

Размещено на Allbest.ru