CC BY
3165
Технические науки
Гидратообразование в трубопроводах природного газа
Катаев К.А.
инженер-технолог ТюменьНИПИнефть, г. Тюмень
Одной из важнейших проблем при эксплуатации газопроводов является образование газогидратов. Отлагаясь на внутренних стенках труб, гидраты резко уменьшают их пропускную способность и могут привести к аварийной остановке эксплуатации газопровода. Затраты нефтегазовых компаний на предупреждение и борьбу с газогидратными пробками составляют значительную часть стоимости эксплуатации месторождений и транспорта газа. Поэтому сокращение эксплуатационных затрат на предупреждение и борьбу с гидратообразованием в промысловых системах добычи газа и дальнейшего его транспорта вызывает немалый интерес со стороны многих добывающих и эксплуатирующих компаний нефтегазовой отрасли.
Гидраты углеводородных газов являются неустойчивыми соединениями углеводородов с водой и представляют собой белые кристаллы, внешне похожие на снег или лед. Они состоят из одной или нескольких молекул газа (метана, пропана, углекислого газа и др.) и воды. Основными факторами, определяющими условия образования гидратов, являются состав газа, его давление, температура, полное насыщение газа парами воды.
Газовые гидраты в качестве причины, осложняющей эксплуатацию газопроводов, впервые (в 1934 г.) назвал американец Е.Г. Хаммершмидт [1]. Им было установлено, что газовые гидраты могут образовываться и накапливаться в газопроводах, вызывая их закупорку.
Наиболее часто закупорки газопровода происходят в зимний период в связи значительным охлаждением движущегося в трубопроводе газового потока. Образование гидратов может иметь место на всех газопроводах, за исключением транспортирующих газ с точкой росы паров воды ниже минимальной рабочей температуры (см. рис. 1, 2).
Рис.1 Газогидратная пробка, извлеченная из трубопровода
Рис.2 Схема образования гидратов в горизонтальной трубе 1-газопро-вод; 2-гидраты.
К технологическим факторам, влияющим на образование гидратов, относят:
а) недостаточно тщательные продувки газопровода перед пуском;
б) отсутствие конденсатосборников и продувочных патрубков в пониженных местах газопровода или нерегулярное удаление из них скапливающейся жидкости;
в) недостаточную очистку газа до подачи его в магистральный газопровод.
Знать места возможного гидратообразования очень важно для своевременного их предупреждения.
Эксплуатация промысловых газосборных сетей и магистральных газопроводов производится, как правило, в условиях турбулентного режима, когда жидкая вода, конденсирующая из газа и не отделенная в сепараторах, переносится газовым потоком в виде пленочной или мелкодисперсной капельной жидкостью. Поэтому почти вся жидкая вода, выпадающая из газового потока в определенных условиях, может переходить в гидраты.
Для правильного определения места образования гидратов необходимо иметь следующие данные:
♦ состав газа, его плотность;
♦ изменение давления;
♦ изменение температуры;
♦ влажность газа.
Зная влажность и состав подаваемого газа, а так же зависимость этих параметров от давления и температуры, можно определить время начало образования гидратов, место и скорость накопления их в газопроводе. Это позволяет своевременно принять надлежащие меры.
Если точка росы лежит выше равновесной кривой гидратообразования, то гидраты образуются в точке пересечения линии изменения температуры в газопроводе с кривой равновесной температуры гидратообразования. Если точка росы лежит ниже равновесной кривой гидратообразования, но выше минимума температурной кривой в газопроводе, гидраты образуются в точке росы. В условиях, когда точка росы лежит ниже равновесной кривой гидрато-образования и ниже кривой изменения температуры в газопроводе, гидратообразование невозможно [2].
При возникновении условий гидратообразования гидратная пробка быстро нарастает на данном участке газопровода по мере поступления воды и гидратообразователя. При этом происходит выделение паров воды из газа, что снижает упругость паров воды на определенную величину и ускоряет процесс образования локальной гидратной пробки.
Условия образования и разложения гидратов природных газов неидентичны. Давление начала разложения гидратов значительно ниже давления начала образования гидратов при одной и той же температуре. Снижение равновесного давления разложения ниже давления образования гидратов происходит в результате снижения давления паров воды над образующимися гидратами [2].
В настоящее время, как на стадии проектирования газопроводов, так и после их ввода в эксплуатацию решаются вопросы предотвращения и удаления гидратных пробок.
Способы предупреждения образования гидратов:
Поддержание температуры потока газа выше температуры гидратообразования с помощью подогревателей, теплоизоляции трубопроводов
и подбора режима эксплуатации, обеспечивающего максимальную температуру газового потока. Понижение температуры точки росы газа:
♦ уменьшением давления при транспорте газа (при этом наряду с понижением температур точек росы снижается также температура начала образования гидратов);
♦ нейтрализацией воды, выпадающей в жидком виде;
♦ очисткой газа от паров воды — газоосушка [3]. Уменьшение давления при транспорте газа обычно используется только для ликвидации гидратных пробок, но не как средство предупреждения образования гидратов, потому что это связано с одновременным уменьшением пропускной способности газопровода.
Для понижения точки росы газа нейтрализацией выпадающей воды в поток газа вводят ингибиторы. В качестве ингибиторов гидратообразования используются метанол и этиленгликоль. Эффективность их применения зависит от условий гидратообразования. Ингибиторы, введенные в поток природного газа, частично поглощают водяные пары и переводят их в раствор, не образующий гидратов или же образующий их при более низких температурах.
Уменьшение плотности газа извлечением из него тяжелых углеводородов. При этом увеличивается давление и снижается температура, при которых начинают образовываться гидраты. Способы борьбы с гидратообразованием:
1 Закачка в газопроводы ингибиторов. В качестве ингибиторов могут применяться метиловый спирт (метанол), раствор диэтиленгликоля (ДЭГ), триэ-тиленгликоля (ТЭГ) и раствор хлористого кальция. Широкое применение для борьбы и ликвидации уже образовавшихся гидратных пробок получил метанол (СН3ОН).
2 Снижение давления при образовании гидратной пробки, что приводит к разложению гидрата. Давление снижают следующим образом: отключают участок газопровода, в котором образовалась пробка, и через продувочные свечи с обеих сторон пробки сбрасывают из него газ в атмосферу. Сбрасывать газ нужно постепенно, не допуская хотя бы незначительного перепада. Для этого на обводах кранов устанавливаются манометры, и между кранами создается надежная связь. Ранее применялось одностороннее стравливание газа между одним из кранов и гидратной пробкой. Однако такой метод рекомендован быть не может, так как имелись случаи, когда одностороннее давление газа с силой сдвигало пробку, и получался гидравлический удар, приводивший к повреждению крана. Снижение давления дает положительный эффект при ликвидации гидратной пробки образовавшейся при положительных температурах. При отрицательных температурах этот метод не дает результата.
3 Подогрев газа и локальный подогрев мест отложения гидратов и образования гидратных пробок.
Благодаря экспериментальным и теоретическим исследованиям термодинамики, кинетики и физико-химических свойств газовых гидратов проводимыми зарубежными и отечественными учеными, среди которых работы Е.Г. Хаммершмидта, Б.В. Дегтярева, Э.Б. Бухгалтера, В.А. Хорошилова, В.И. Семина, В.А. Истомина, В.Г. Квона, Ю.Ф. Макогона [1], А.Г. Бурмистрова, В.П. Лакеева, В.Ш. Шагапова [5], Р.Р. Уразова [4, 5, 6], Н.Г. Мусакаева [4], В.С. Якушева и других, с помощью инженерных расчетов можно
определить время начала образования гидратов, место и скорость накопления их в газопроводе.
Однако, существующие методики предупреждения гидратообразования в системах сбора, промысловой подготовки и транспорта газа, как правило, не учитывают совместное проявление таких процессов, как течение газа в трубопроводе при наличии фазовых переходов, отложение твердой фазы на стенки трубопровода, теплообмен трубопровода с окружающей средой.
Поэтому, в целях минимизации себестоимости добычи и транспорта газа, актуальной задачей является совершенствование существующих и разработка новых методик предупреждения гидратообразования, учитывающих комплексное влияние всех процессов протекающих при эксплуатации газопроводов.
Список использованных источников
1. Hammerschmidt E. G. Formation of gas hydrates in natural gas transmission lines // Industrial and Engineering Chemistry—1934. —vol. 26. —№8. —P. 851-855.
2. Макогон Ю.Ф. Гидраты природных газов. М.: Недра, 1974. С. 14-53.
3. Катц Д.Л., Корнелл Д., Кобаяши Р., Поеттманн Ф.Х., Вери Дж. А, Еленбаас Дж., Уайнауг Ч.Ф. Руководство по добыче, транспорту и переработке природного газа. М.: Недра, 1965. 531 с.
4. Мусакаев Н.Г., Уразов Р.Р. Превентивные методы борьбы с гидратообразованием в трубопроводах // Нефть и газ. 2006. № 1. С. 50-56.
5. Шагапов В.Ш., Уразов Р.Р. Характеристики газопровода при наличии гидратоотложений // Теплофизика высоких температур. 2004. Т. 42, № 3. С. 461-468.
6. Уразов Р.Р. Динамика накопления газогидратных отложений в действующих газопроводах // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа : Тезисы докладов научно-практической конференции (Уфа, 25 мая 2005 г.). Уфа: ТРАНСПЭКТ, 2005. С. 135-137
