Условия образования гидратов в системе обустройства газопромысла

Задание

Реферат

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ. 6

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА.. 7

1.1 Газовые гидраты.. 7

1.2 Условия образования гидратов в системе обустройства газопромысла. 9

1.3 Предупреждение возникновения процесса гидратообразования. 16

1.4 Выводы по разделу. Задачи исследования. 22

2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.. 24

2.1 Общая методика исследования. 24

2.2 Построение структуры системы.. 26

2.3 Зависимость взаимодействия элементов изучаемой системы.. 28

2.3.1 Зависимость взаимодействия элементов изучаемой системы. Этап 1. Компонентный состав газа. 28

2.3.2 Зависимость взаимодействия элементов изучаемой системы. Этап 2. Температура окружающего воздуха. 39

2.3.3 Зависимость взаимодействия элементов изучаемой системы. Этап 2. Конструктивные параметры.. 44

2.4 Анализ применения метода предупреждения гидратообразования с использованием ингибитора. 49

2.5 Выводы по главе 2. 59

3. ПОСТРОЕНИЕ МЕТОДИКИ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ НА ПРОМЫСЛОВОМ ГАЗОПРОВОДЕ ПРИ ПОМОЩИ МЕТАНОЛА.. 61

3.1 Определение исходных данных для расчётной методики. 61

3.2 Определение равновесных параметров гидратообразования газовой смеси 61

3.3 Определение температуры гидратообразования и места образования гидратов в промысловом газопроводе. 64

3.4 Расчёт необходимого количества метанола для предупреждения гидратообразования. 65

3.5. Выводы по главе 3. 68

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ НА ПРОМЫСЛОВЫХ ГАЗОПРОВОДАХ.. 69

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 80

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 81

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

При транспортировке природного газа по промысловым и магистральным газопроводам основными задачами нефтегазовых организаций является обеспечение надежной и безопасной транспортировки и поставки газа до технологических объектов и до потребителя. Таким образом, проблема образования гидратов на протяжении всей газотранспортной системы является наиболее приоритетной. Предупреждение условий гидратообразования и процессов возникновения гидратообразования является задачей надежной работы газотранспортной системы, где в особенности стоит подчеркнуть промысловую газотранспортную систему, ввиду того, что газ, поступающий из скважин, содержит в себе примеси и повышенное влагосодержание, что обусловлено повышенным риском возникновения гидратообразования в газопроводе.

В силу неоднородности и разрозненности месторождений проблема контроля качества газа является основным критерием надёжности, особенно по такому параметру как влагосодержание газа. Это связано с тем, что при течении влажного газа в трубопроводе происходит процесс гидратообразования, который вызывает повышенное гидравлическое сопротивление потоку газа, а также создает условия для снижения пропускной способности вплоть до полной остановки транспортировки газа, что способствует возникновению аварийных ситуаций и к нарушению режима работы газового промысла в целом.

Процесс гидратообразования может быть вызван в совокупности тремя основными условиями: влагосодержание в газе, низкая температура газа и высокое давление в промысловой газовой системе. В сравнении с магистральными газопроводами стоит подчеркнуть то, что на промысловых газопроводах газ имеет большее влагосодержание до установки комплексной подготовки газа, таким образом, до данной технологической точки промысловая газовая система находится почти на всём протяжении транспорта в благоприятных условиях для гидратообразования.

На предприятиях, в частности, расход ингибиторов гидратообразования сильно завышен, что может быть связано с отсутствием как такого мониторинга и контроля процесса гидратообразования.

Именно поэтому данная проблема является актуальной в соответствии с основными задачами транспортировки и поставки газа. Решением проблемы является разработка методики предупреждения процесса гидратообразования на промысловых газопроводах обеспечивающая точность расчёта на основе производственных данных.

Целью работы является разработка методики предупреждения гидратообразования в промысловых газопроводах.

В соответствии с поставленной в работе целью необходимо выявить оптимальные условия для предупреждения образования гидратов на промысловых газопроводах.

В качестве объекта исследования был определён процесс формирования гидратов в промысловых газопроводах.

Где предмет исследования был определён как предупреждение процесса образования гидратов в промысловых газопроводах.

Определены основные задачи исследования:

1. Установить основные методы определения температуры гидратообразования при различном составе газа.

2. Установить закономерность взаимодействия параметров газового потока с температурой гидратообразования.

3. Разработать методику предупреждения гидратообразования на промысловых газопроводах при помощи метода ввода метанола.

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

 

Газовые гидраты

 

Газовые гидраты – это твердые кристаллические соединения, образующиеся при определенных термобарических условиях из воды (водного раствора, льда, водяных паров) и низкомолекулярных газов. По внешнему виду гидраты напоминают лед или снег. Область их термодинамической стабильности включает как отрицательные, так и положительные температуры. При умеренных давлениях (до 10-30 МПа), характерных для промысловых систем, гидраты природных газов существуют вплоть до температур плюс 20-25 ^оС, однако наиболее типичные температуры их образования ниже плюс 15-20 ^оС. Максимальная температура существования гидрата метана составляет 47,7 ^оС при давлении 500 МПа.

Таким образом, влагосодержание природного газа является важнейшим параметром, влияющим на определение технологии сбора, транспорта и подготовки газа на газовом промысле. Стоит отметить то, что добыча газа всегда сопровождается наличием в нём паров воды, что обусловлено содержанием связанной, подошвенной или краевой воды в газоносных породах. При снижении пластового давления влагосодержание в газовом потоке увеличивается, что может быть отмечено по мере разработки месторождения, таким образом, с каждым годом влагосодержание в газовом потоке увеличивается.

Основными факторами влагосодержания в газовом потоке являются: давление, температура, компонентный состав газовой смеси и количество солей растворенных в воде. Растворенные соли в воде снижают влагосодержание газового потока, что обусловлено снижением парциального давления паров воды. Влагосодержание определяется экспериментальным методом при разработке скважины.

Для определения условий, места и скорости образования гидратов в газопроводе необходимо знать влагосодержание газа и его изменение с изменением давления и температуры.

На основании равновесных кривых образования гидратов природного газа в зависимости от температуры и давления, представленных на рисунке 1.1, следует, что газовый поток с большей плотностью при определенном давлении имеет более высокую температуру возникновения процесса гидратообразования. 

Рисунок 1.1. Равновесные кривые образования гидратов природного газа в зависимости от температуры и давления

 

Стоит отметить то, что данное условие не всегда возможно. Условием более высокой температуры гидратообразования является наличие гидратообразующих компонентов, за счёт которых повышается плотность газового потока. Иными словами если на увеличение плотности газовой смеси влияют негидратообразующие компоненты, то температура её гидратообразования понижается.

С другой стороны даже незначительное увеличение концентрации более тяжелых компонентов приводит к резкому снижению давления образования гидратов. Условия образования гидратов природных газов зависят от состава гидратообразующих компонентов, а также от наличия негидратообразующих газов (азот, водород). С увеличением содержания негидратообразующих компонентов равновесное давление образования гидратов повышается, а при наличии их в смеси свыше 50% по объему возможность образования гидратов данной смеси газов сводится к нулю.

Процесс образования гидратов природных газов может возникнуть лишь при полном насыщении их парами воды. Следовательно, началу процесса образования гидратов соответствует упругость паров воды, находящихся в равновесии с жидкой водой. Кристаллогидраты природных газов разлагаются при снижении упругости паров воды в газовом потоке ниже упругости паров гидрата.

Стоит отметить то, что условия образования и разложения гидратов природных газов не идентичны. Давление начала разложения гидратов значительно ниже давления начала образования гидратов при одной и той же температуре.

 

Условия образования гидратов в системе обустройства газопромысла

 

Система обустройства газового промысла включает в себя сбор и первичную обработку газа, замер расхода, контроль и поддержание заданного режима эксплуатации скважин и месторождений в целом.

Основным недостатком обустройства газовых месторождений заключается в точности определения изменения параметров газа при его транспортировке в течение всего периода разработки месторождений.

В систему обустройства газопромысла входит комплекс газопроводов, оснащенных приборами и аппаратами, обеспечивающими бесперебойную подачу газа в магистральные газопроводы. В большинстве разрабатываемых и проектируемых газовых месторождениях за последние 10-20 лет основными звеньями системы обустройства промысла являются скважины, газосборная сеть и установка комплексной подготовки газа (УКПГ).

Система обустройства газопромысла определяется характеристикой месторождения, давлением, температурой и составом газа, дебитом скважин, конденсатным и водным факторами, а также изменением параметров газа за период разработки месторождения. Система обустройства газопромысла зависит от климатических условий в районе газового промысла.

Система обустройства газопромысла должна определяться в результате анализа всех факторов, основываться на данных комплексного проекта разработки и учитывать изменение всех факторов за полный период эксплуатации газопромысла. Существенными факторами, влияющими на систему обустройства, являются условия конденсации тяжелых углеводородов и паров воды, а также наличием процесса гидратообразования. Наличие фазовых превращений в системе обустройства газопромысла определяется составом газа, его начальным влагосодержанием, изменением давления и температуры газового потока по пути его движения.

В зависимости от конкретных условий процесс гидратообразования может возникать в пределах промысла или в магистральных газопроводах. По месту образования гидратов все эксплуатируемые промыслы можно разделить на три группы:

- гидраты образуются только в пределах промысловой технологической системы газосборных трубопроводов;

- гидраты образуются одновременно в пределах промысла и в магистральных газопроводах;

- гидраты образуются только в магистральных газопроводах и не образуются в промысловой технологической системе газосборных трубопроводов.

Стоит отметить то, что последние две группы в связи с техническим развитием могут быть практически исключены. Второй вариант может быть только лишь в случае недостаточной и малоэффективной подготовки газа на УКПГ к дальнейшему транспорту.

В рамках работы принято исключить рассмотрение возможности возникновения процесса гидратообразования в магистральном газопроводе.

Условия образования гидратов могут складываться лишь при наличии гидратообразователя, каковым является природный газ с влагосодержанием, и двумя основными параметрами транспортируемого потока давлением и температурой, которые изменяются по мере разработки месторождения.

Основным условием возникновения процесса гидратообразования является понижение температуры транспортируемого газового потока с влагосодержанием ниже равновесной температуры гидратообразования. В данных условиях пары воды конденсируются в газосборном коллекторе, в результате чего происходит образование гидратов.

На рисунке 1.2 представлена схема заполнения трубопровода гидратами.

Рисунок 1.2. Схема заполнения трубопровода гидратами

1 – газопровод; 2 – гидраты.

 

Условия обратные условию образования гидратов можно охарактеризовать как отсутствие процесса гидратообразования.

Процесс гидратообразования в газопроводе может быть двух видов, первый вид гидратообразования возможет при интенсивном поступлении воды в необходимом количестве для отложения газового гидрата и определяется из условия теплового баланса на поверхности гидратного слоя. Когда интенсивность второго вида гидратообразования, как полагают авторы [12, 40], при недостаточном поступлении воды к поверхности твердой фазы газового гидрата полностью лимитируется процессом поступления влаги на поверхность газогидратного слоя.

Второй режим может быть объяснен тем, что при облитерации стенок трубы по первому виду гидратообразования дальнейший газовый поток обеднен влагосодержанием и, начиная с некоторого сечения, происходит облитерация стенок трубопровода по второму виду гидратообразования.

Для определения места образования гидратов необходимо иметь следующие данные:

- состав газа, его плотность;

- изменение температуры на отрезке «скважина – УКПГ»;

- изменение давления на отрезке «скважина – УКПГ»;

- влажность газа.

При наличии таковых данных возможно определение времени начала образования гидратов, место и скорость накопления их в газопроводе.

Понятие гидратной пробки может быть описано процессом нарастания гидратов на стенке трубопровода до тех пор, пока сечение трубопровода полностью не будет перекрыто. При создании благоприятных условий для гидратообразования гидратная пробка быстро нарастает на данном участке газопровода по мере поступления воды в гидратообразователя. При этом происходит выделение паров воды из газа, что снижает упругость паров воды на определенную величину и ускоряет процесс образования локальной гидратной пробки.

Изменение упругости паров воды в условиях гидратообразования и условиях их разложения представлено на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3. Упругость паров воды в равновесии с жидкой водой и гидратами

1 – первая гидратная пробка; 2 – вторая гидратная пробка

 

На рисунке 1.4 представлено изменение основных параметров газового потока при образовании гидратной пробки.

Рисунок 1.4. Параметры газового потока при образовании гидратной пробки

 

Процесс образования гидратной пробки может быть описан следующим образом. Кривая AB описывает изменение давления по мере транспортировки газа по трубопроводу. При этом равновесная температура образования гидратом изменяется по кривой МN, а влажность газа по кривой GD. Газ поступает в газопровод с точкой росы m, превышающей равновесную температуру образования гидратов n. Таким образом, при пересечении кривой GD с кривой MN в точке пересечения n начинается процесс гидратообразования. После начала образования гидратов происходит снижение упругости паров воды над гидратами и влагосодержание газа соответственно снизится от точки n до точки n^’.

Упругость паров воды в газопроводе при температуре n (см. рисунок 1.4) соответствует упругости паров воды в точке g (см. рисунок 1.3). В результате образования гидратов в точке n упругость паров воды снизится от точки g до точки h (см. рисунок 1.3), что соответствует снижению точки росы от n до n^’ (см рисунок 1.4). Таким образом, точка росы паров воды в точке n стала ниже минимальной температуры в газопроводе (точка О на кривой GD). Иначе говоря, при дальнейшем движении газового потока конденсации паров воды не будет происходить, что исключает возможность образования гидратов после точки n.

При возникновении гидратной пробки давление в трубопроводе может быть охарактеризовано кривой abcd (см. рисунок 1.4).

Существует вероятность образования нескольких гидратных пробок. В результате образования гидратов в газопроводе влагосодержание газового потока над гидратами снижается соответственно снижению упругости паров воды, находящихся в равновесии с жидкой фазой и твердым гидратом.

Если в результате образования первой гидратной пробки точка росы паров воды снижается ниже минимума кривой изменения температуры газа в газопроводе, то следующая гидратная пробка может и не образоваться. Но если в результате образования гидратной пробки за счёт разности упругости паров воды над жидкой водой и над гидратами точка росы не снижается ниже минимальной температуры в газопроводе, то образуется следующая гидратная пробка – в точке пересечения линии влагосодержания с кривой изменения температуры в газопроводе.

Рисунок 1.5 описывает изменение параметров газового потока при возникновении двух гидратных пробок на одном участке газопровода.

Рисунок 1.5. Параметры газового потока при образовании двух гидратных пробок

 

Процесс возникновения двух и более гидратных пробок может быть описан следующим образом. Кривая AB описывает изменение давления по мере транспортировки газа по трубопроводу. Изменение влажности газа описывает кривая GQ. Газ поступает в газопровод с точкой росы, превышающей равновесную температуру образования гидратов. Поэтому в точке пересечения кривой GQ с равновесной кривой образования гидратов происходит процесс гидратообразования. В результате образования гидратов в точке n упругость паров воды над гидратами, в соответствии с рисунком 1.3, снизится от точки g до точки h. Соответственно точка росы паров воды в газопроводе снизится от точки n до точки n^’. Точка росы паров воды в результате образования гидратной пробки в точке n снизилась до минимальной температуры (точка O). Дальнейшее снижение температуры в газопроводе приводит к тому, что в точке r газ насыщается парами воды, упругость которых соответствует точка i, в соответствии с рисунком 1.3. Таким образом, в этой точке произойдет образование второй гидратной пробки с последующим снижением точки росы до точки r^’, соответствующим снижению упругости паров воды от точки i до точки j, в соответствии с рисунком 1.3. Образование следующей гидратной пробки в данных условиях может быть исключено, так как точка росы паров воды r^’ находится ниже минимальной температуры газа в трубопроводе (точка О).

Таким образом, в газопроводе в определенных условиях могут образоваться несколько локальных и гидратных пробок.

При рассмотрении промысловых газосборных сетей можно выделить следующие места возникновения процесса гидратообразования.

1. Непосредственно после штуцирования на фонтанной скважине, так как происходит резкое понижение давления и температуры.

2. Возможны потоки, в которых могут содержаться переносимые ранее образованные гидраты, скапливающиеся на диафрагме замерного участка.

3. Гидраты могут образовываться в различных местах по мере протяженности промысловых газосборных сетей, некоторые из них: на обратных клапанах, в бобышках для датчиков, внутренних полостях кранов, на мелких ответвлениях трубопровода.

4. Непосредственно в основном газосборном коллекторе образование гидратов происходит в местах с резким изменением скорости потока.

Таким образом, одной из основных проблем при проектировании и эксплуатации газового промысла является наличие процесса гидратообразования. Процесс гидратообразования без исключений присутствует на каждом газовом месторождении в северных районах страны. Существует множество методик предупреждения процесса гидратообразования, а также методов борьбы с ним.