CC BY
6DOI: 10.24412/3034- 154X-2024-1-22-29
Антон Николаевич ШИПОВАЛОВ - начальник Лонг-Юганского ЛПУ МГ ООО
«Газпром трансгаз Югорск»
Россия, г. Югорск; e-mail: [email protected]
Кирилл Евгеньевич БАЕВ - магистрант кафедры «Транспорт углеводородных ресурсов» Тюменского индустриального университета Россия, г. Тюмень; e-mail: [email protected]
Анатолий Николаевич ХАЛИН - доцент, кандидат технических наук, директор Института промышленных технологий и инжиниринга Тюменского индустриального университета Россия, г. Тюмень; e-mail: [email protected]
Сергей Юрьевич ПОДОРОЖНИКОВ - доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры «Транспорт углеводородных ресурсов» Тюменского индустриального университета Россия, г. Тюмень; e-mail: [email protected]
Ильшат Фархатович ШАГБАНОВ - магистрант кафедры «Транспорт углеводородных ресурсов» Тюменского индустриального университета Россия, г. Тюмень; e-mail: [email protected]
УДК 622.279.72;001.8
ПРОБЛЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ РАСХОДА ИНГИБИТОРА ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ НА ПОДЗЕМНЫХ ХРАНИЛИЩАХ ГАЗА
АННОТАЦИЯ
Работа посвящена разработке методики оценки оптимального расхода метанола для безопасной эксплуатации подземных хранилищ газа, являющихся стратегическим резервом системы трубопроводного транспорта газа.
Ключевые слова: подземные хранилища газа, трубопроводный транспорт, газопровод, надежность, безопасность, экология, искусственный интеллект.
Anton Nikolaevich SHIPOVALOV - Head of the Long Yugan Medical Facility MG
Gazprom Transgaz Yugorsk LLC
Russia, Yugorsk; e-mail: [email protected]
Kirill Evgenievich BAEV - Master's student of the Department of Transportation of Hydrocarbon Resources Tyumen Industrial University Russia, Tyumen; e-mail: [email protected]
Anatoly Nikolaevich KHALIN - Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, Director of the Institute of Industrial Technologies and Engineering Tyumen Industrial University
Russia, Tyumen; e-mail: [email protected]
Sergey Yuryevich PODOROZHNIKOV - Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Transportation of Hydrocarbon Resources Tyumen Industrial University Russia, Tyumen; e-mail: [email protected]
Ilshat Farkhatovich SHAGBANOV - Master's student of the Department of Transportation of Hydrocarbon Resources Russia, Tyumen; e-mail: [email protected]
PROBLEMS OF OPTIMIZING THE CONSUMPTION OF AN INHIBITOR TO PREVENT HYDRATE FORMATION IN UNDERGROUND GAS STORAGE FACILITIES
ANNOTATION
The work is devoted to the development of a methodology for estimating the optimal consumption of methanol for the safe operation of underground gas storage facilities, which are a strategic reserve of the gas pipeline transportation system.
Keywords: underground gas storage, pipeline transport, gas pipeline, reliability, safety, ecology, artificial intelligence.
Для цитирования в научных исследованиях:
Шиповалов А.Н., Баев К.Е., Халин А.Н., Подорожников С.Ю., Шагбанов И.Ф. Проблемы оптимизации расхода ингибитора для предупреждения гидратообразова-ния на подземных хранилищах газа // Тюменский научный журнал. 2024. № 1. С. 22-29.
Одним из источников повышения технологической и, как следствие, экономической эффективности эксплуатации ПХГ являются мониторинг, анализ и прогнозирование динамики формирования искусственной газовой залежи на основе комплексной модели объекта, создаваемой с использованием всей совокупности информации.
Проблеме гидратообразования посвящено множество работ известных ученых - Чарного И.А., Филатова Н.В., Мусакаева Н.Г., Уразова Р.Р., Лисичкина Г.В., Кузнецова Н.П., Макаренко В.Д., Объедковой В.В., Бухгалтер Э.Б., Истомина В.А., Макогона Ю.Ф., Поперечной С.Е., Колодезного П.А., Аршинов С.А., Муравьева К.А., Калянова А. И., Колосова А.В., Грохотова В.А., Сахарова Г.В., Васюты Ю.С., Зайцева В.Г., Басниева К.С. и многих других.
Проблема эффективного и безопасного управления процессами
гидратообразования на ПХГ актуальна и отмечена программами инновационного развития предприятий.
Анализ производственного опыта работы в условиях постоянной борьбы с гидратами известные методы, которые применяются в практике на газовых месторождениях и на подземных хранилищах, можно разделить на группы [1]:
- осушка газа - самый надежный и эффективный, но в условиях циклической работы ПХГ и существующей технологической схеме этот метод применить невозможно;
- снижение давления в системе. Сущность этого метода заключается в нарушении равновесного состояния гидратов, в результате чего происходит их разложение. Положительный эффект достигается при продувке скважин и шлейфов на устье и на факельную установку;
- снижение температуры гидратообразования до температуры ниже
фактической температуры в системе. Для этой цели используют вещества, которые применяют в качестве ингибиторов - это спирты, гликоли, электролиты. Применение гликолей малоэффективно из-за малой летучести паров, дороговизны, электролиты без добавки метанола не дают положительного результата;
- наиболее распространенным способом борьбы с гидратами в промысловых условиях является применение летучего ингибитора гидра-тообразования - метанола. В качестве жидкого ингибитора на действующих месторождения Крайнего Севера России используется практически только метанол. Метанол также постоянно рекомендуется как ингибитор и на вновь проектируемых месторождениях. Использование метанола в качестве антигидратного реагента обеспечивает не только предупреждения гидратообразова-ния, но и при определенных условиях является эффективным средством для удаления уже сформировавшиеся гидратных отложений. На реальных ПХГ часто в качестве антигид-ратного реагента используют метанол. Метанол обладает высокой степенью понижения температуры гид-ратообразования, способностью быстро разлагать уже образовавшиеся пробки и смешиваться с водой в любых соотношениях, малой вязкостью и низкой температурой замерзания;
- снижение давления и одновременная подача метанола в поток газа. Разложение гидратов снижением давления в комбинации с вводом ингибиторов происходит гораздо быстрее, чем при использовании каждого метода в отдельности и при отрицательных температурах вода, образовавшаяся в результате разложения гидрата, может перейти в лед и образовать ледяную пробку.
Но данные методы помимо положительных сторон, имеют ряд отрицательных моментов [1-10]:
- увеличение количества использованного метанола, метанол - сильный яд, попадание в организм даже небольшой дозы может привести к смертельному исходу, поэтому при работе с ним требуется особая осторожность;
- увеличение технологических потерь газа, продувка происходит с выпуском газа в атмосферу;
- увеличение часов простоя скважин, при продувке скважин на устье или на факел, скважину необходимо исключить из технологического процесса.
Таким образом, оптимизация расхода метанола, при котором количество должно быть минимальным для обеспечения безопасности и достаточным для предупреждения гидра-тообразования, является важной технологической и научной задачей, требующих новых решений.
Если рассматривать процесс предупреждения образования гидратов, то в устьевой зоне скважины есть смысл проводить анализ и обработку данных по эксплуатации только при работе в режиме, близком к предгидратному - термобарическому. Если же таковая необходимость работы возникает, то предупреждение обычно заключается в локальном нагреве того места, где было повторное образование.
Анализ известных методов преимущественно сводится к тому, что основной способ предупреждения образований - локальный нагрев либо просто повышение температуры или резкое снижение давления транспортируемой среды, что приводит к расслоению гидратов и выносу при продувке.
Но все же остается нерешенным вопрос об оценке расхода ингибитора для повышения надежности и безопасности системы ПХГ. Ведь при использовании данных методов предупреждения для гидратов с повышенным содержанием серы и обводненностью, довольно уязвимой зоной становится устье скважины, где идет максимальный поток газа и ускоряется процесс коррозии. Это довольно небезопасно, если говорить о такой ответственной части системы (рис. 1).
За основу численного эксперимента были взяты статистические данные об использовании ингибитора на ПХГ. Оценка расхода метанола проводилась относительно растущей температуры образования гидратов.
Метод наименьших квадратов (МНК) дает наилучшие (состоятельные, эффективные и несмещенные) оценки параметров уравнения регрессии, но только в том случае, если выполняются определенные предпосылки относительно случайного члена (е) и независимой переменной (х).
На основе табличных данных о количестве используемого на реальном ПХГ метанола, а также о факторах, влияющих на объем гидратообразования, проанализируем на примере зависимость концентрации метанола в водометанольном растворе (ВМР) от температуры
Рисунок 1. График зависимости температуры Т гидратообразования от концентрации метанола Km в водометанольном растворе
гидратообразования в технологических трубопроводах.
Для оценки расхода ингибитора, используемого для ликвидации гидратов в технологических системах ПХГ, был использован стандартный алгоритм обработки экспериментальных данных. Методом анализа стало применение метода наименьших квадратов, с помощью которого была сформирована система нормальных уравнений. Были вычислены Критерий Фишера, найдено уравнение регрессии, проанализированы показатель тесноты связи, коэффициенты детерминации и Стьюдента. Найденные показатели говорят о тесной связи значений, их сильной зависимости и довольно малых отклонениях-погрешностях. Представим все найденные значения в основных формулах, играющих ключевую роль.
Критерий МНК можно записать
так:
S=Z(Yi - y*i)2 ^ min; (1)
где yi - значение температуры гидратоообразования.
Система нормальных уравнений.
£y = a-n + b-£x; (2)
^у-х = а^х + Ь^х2; (3)
где х - значение концентрации метанола в водометанольном растворе (ВМР), а и Ь - искомые коэффициенты.
Основными исходными данными являлись статистические данные об использовании метанола для борьбы с гидратами.
На основе экспериментальных значений составим систему нормальных уравнений:
70а + 825,9-Ь = 254,8;
825,9 • а + 12267,9 • Ь = 1768,3.
Дальше задача решается достаточно просто. Домножая уравнение системы на -11,799, получим систему, решаемую методом алгебраического сложения:
-825,9а - 9744,8 Ь = -3006,4;
825,9 • а + 12267,9 . Ь = 1768,3.
Находим коэффициенты а и Ь, получим уравнение регрессии (эмпирическое уравнение регрессии):
у = -0,49х + 9,43;
Т = -0,49Кт + 9,43.
Очевидно, что для данных условий справедливо уравнение:
Кт = -2,18Т + 20,00.
Это уже практически готовое уравнение, отражающее зависимость параметров. Далее определим коэффициенты, характеризующие качество связи параметров.
Ковариация.
сои (х, у) = х. у - X. у = 25,26-11,80 . 3,64 = -17,69;
Находим показатель тесноты связи. Другими словами, это выборочный линейный коэффициент
0,3 < гху < 0,5: умеренная;
кор
реляции, который рассчитывается
по формуле:
_ х.у-х.у Гху=8(х).8(у):
25,261-11,799.3,64 6,004.2,949
=-0,999;
Его также можно найти через коэффициент регрессии:
г =ь.5(х) = -0491.6'004=-0 9 99 Гху-°.8(у)~ 0,491. 2,949 0,999.
критерии оцениваются по шкале Чед-дока:
0,1 < г < 0,3: слабая;
0,5 < г < 0,7: заметная;
0,7 < гху < 0,9: высокая;
0,9 < гху < 1: весьма высокая;
ху
Как мы можем заметить, связь между параметрами высокая и обратная.
Найдем коэффициент детерминации. Он легко выражается в схожей по виду формуле, с процентным значением:
Я2 = -0,9992 = 0,997;
т.е. в 99,74% случаев если происходят изменение параметра х, то это влечет за собой изменение параметра у. Также можно смело сказать, что точность подбора уравнения регрессии - высокая. Остается малая часть влияния остальных факторов, она составляет меньше половины процента. Она приходится на незначительное влияние условий проведения исследований, на погрешности в приборах и статистических данных и т.д.
В работе проведена оценка параметров регрессии, а также проведен анализ точности определения оценок коэффициентов регрессии.
Несмещенной оценкой дисперсии возмущений является величина:
52 =
2(у;-ух)2 1,561
п—т—1
68
= 0,023;
ху
S = 0,023 - необъясненная дисперсия или дисперсия ошибки регрессии (мера разброса зависимой переменной вокруг линии регрессии).
5 = 70,023 = 0,15;
S = 0,15 - стандартная ошибка оценки.
Стандартная ошибка регрессии рассматривается в качестве меры разброса данных наблюдений от смоделированных значений. Чем меньше значение стандартной ошибки регрессии, тем
качество модели выше. Соответственно тем ближе зависимость параметров к линейному виду.
Sa - стандартное отклонение случайной величины а.
Sa = 0,15 .^ = 0,15 . V^= 0,0399~0,04;
nS(x)
70,00.6,00
Sb - стандартное отклонение случайной величины Ь.
5 0,15 = ^ = ' = 0,00302; ь уН.Б(х) ^70,6,00
Как видно из полученных показателей, значение отклонения довольно не значимо. Поскольку процесс гидратообразования представляет собой более сложный процесс, необходимо учитывать
большее количество факторов для оценки расхода метанола и количество факторов, влияющие на эффективность применения метанола достаточно многочисленно (рис. 2).
Были изучены и проанализированы основные факторы, влияющие на условия гидратообразования. Среди них каждый отличается степенью влияния, поэтому было условно произведено их разделение на две группы: первостепенные и второстепенные (рис. 2.).
Рисунок 2. Факторы, влияющие на количество используемого метанола
Первостепенные факторы влияния являются основными, тогда как второстепенные в какой-то мере могут влиять влияют на первостепенные факторы.
Фактически многочисленные работы известных ученых [1-11] доказывают, что данная связь многогранна и сложна и оценить оптимальное значение расхода метанола можно, учитывая весь комплекс факторов.
Поэтому авторами показано, что подобные модели могут быть реали-
зованы достаточно просто, но для более сложных случаев прогнозирования расхода метанола могут быть применены многослойные персеп-троны и нейросетевые модели, реализованные на стандартном языке программирования Python, Matlab [12] на мощной экспериментальной базе. Оценить такие связи методами проведения полнофакторных или неполнофакторных экспериментов достаточно затруднительно, тем более, что эксплуатационные условия весьма динамичны.
Список литературы:
1. Аспекты технологической надежности и экономической эффективности эксплуатации подземных хранилищ природного газа Западной Сибири / А. Н. Шиповалов, Ю. Д. Земенков, С. Ю. Торопов [и др.]. - Тюмень : Тюменский индустриальный университет, 2012. - 344 с. - ISBN 978-5-9961-0495-6.
2. Дегтярев Б.В. Борьба с гидратами при эксплуатации газовых скважин в северных районах / Б. В. Дегтярев, Э. Б. Бухгалтер. - Москва : Недра, 1976. - 197 с.
3.Макогон Ю.Ф. Гидраты природных газов. - Москва: Недра, 1974. - 208 с.
4.Макогон Ю.Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование. / Макогон Юрий Федорович. Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование / Ю. Ф. Макогон. - Москва: Недра, 1985. - 232 с.
5. Лурье М.В. Механика подземного хранения газа в водоносных пластах / М.В. Лурье. - Издательство: М.: Нефть и Газ Переплет: мягкий; 350 страниц; 2001 г. ISBN: 5-7246-0154-0.
6.Грицишин Д.Н., Квон В.Г., Истомин В.А., Минигулов Р.М. Технологии предупреждения гидратообразования в промысловых системах: проблемы и перспективы// Газохимия. 2009. №6 (10). Режим доступа: URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ tehnologii-preduprezhdemya-gidratoobrazovamya-v-promyslovyh-sistemah-problemy-i-perspektivy (дата обращения: 01.02.2023).
7. Истомин В.А. Предупреждение и ликвидация газовых гидратов в системах добычи газа / В. А. Истомин, В. Г. Квон; Открытое АО "Газрпом", ООО "Информ.-реклам. центр газовой пром-сти" (ООО "ИРЦ Газпром"). - Москва : Газпром, 2004. - 506 с.
8. СТО Газпром 2-3.3-1242-2021. Методика расчета норм расхода химических реагентов для газодобывающих дочерних обществ ПАО «Газпром» / Санкт-Петербург: Газпром экспо, 2021. - 82 с.
9. СТО Газпром 3.0-2006. Система стандартизации ОАО "Газпром". Система норм и нормативов расхода ресурсов, использования оборудования и формирования производственных запасов ОАО «Газпром». - М.: ИРЦ Газпром: вНиИгАЗ. -2006. - 28 с.
10.Березовский Д. А. Методы предупреждения и ликвидации гидратообразования при эксплуатации газовых скважин на примере месторождения Узловое / Д. А. Березовский, Г. В. Кусов, О. В. Савенок // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). - 2017. - № 2. - С. 82-108.
11.Тройникова А.А. Совершенствование методов предупреждения гидратообразо-вания на газовых и газоконденсатных месторождениях : диссертация ... кандидата технических наук : 25.00.17 / Тройникова Анна Александровна; [Место защиты: ООО «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - Газпром ВНИИГАЗ»]. - Москва, 2022. - 142 с.
12.Инновационное управление безопасностью трубопроводного транспорта углеводородов на базе интеллектуального предупреждения техногенных событий и чрезвычайных ситуаций / М. Ю. Земенкова, Е. Л. Чижевская, Ю. Д. Земенков, С. Ю. Подорожников // Трубопроводный транспорт: теория и практика. - 2021. -№ 3(79). - С. 33-40.
Spisok literatury:
1. Aspekty tekhnologicheskoy nadezhnosti i ekonomicheskoy effektivnosti ekspluatatsii podzemnykh khranilishch prirodnogo gaza Zapadnoy Sibiri / A. N. Shipovalov. Yu. D. Zemenkov. S. Yu. Toropov [i dr.]. - Tyumen : Tyumenskiy industrialnyy universitet, 2012. - 344 s. - ISBN 978-5-9961-0495-6.
2.Degtyarev B.V. Borba s gidratami pri ekspluatatsii gazovykh skvazhin v severnykh rayonakh / B. V. Degtyarev. E. B. Bukhgalter. - Moskva : Nedra. 1976. - 197 s.
3.Makogon Yu.F. Gidraty prirodnykh gazov. - Moskva: Nedra. 1974. - 208 s.
4.Makogon Yu.F. Gazovyye gidraty, preduprezhdeniye ikh obrazovaniya i ispolzovaniye. / Makogon Yuriy Fedorovich. Gazovyye gidraty, preduprezhdeniye ikh obrazovaniya i ispolzovaniye / Yu. F. Makogon. - Moskva: Nedra, 1985. - 232 s.
5.Lurye M.V. Mekhanika podzemnogo khraneniya gaza v vodonosnykh plastakh / M.V. Lurye. - Izdatelstvo: M.: Neft i Gaz. Pereplet: myagkiy; 350 stranits; 2001 g. ISBN: 5-7246-0154-0.
6.Gritsishin D.N., Kvon V.G., Istomin V.A., Minigulov R.M. Tekhnologii preduprezhdeniya gidratoobrazovaniya v promyslovykh sistemakh: problemy i
perspektivy // Gazokhimiya. 2009. №6 (10). Rezhim dostupa: URL: https:// cyberleninka.ru/article/n/tehnologii-preduprezhdeniya-gidratoobrazovaniya-v-promyslovyh-sistemah-problemy-i-perspektivy (data obrashcheniya: 01.02.2023).
7.Istomin V.A. Preduprezhdeniye i likvidatsiya gazovykh gidratov v sistemakh dobychi gaza / V. A. Istomin, V. G. Kvon; Otkrytoye AO "Gazrpom". OOO "Inform.-reklam. tsentr gazovoy prom-sti" (OOO "IRTs Gazprom"). - Moskva : Gazprom, 2004. - 506 s.
8.STO Gazprom 2-3.3-1242-2021. Metodika rascheta norm raskhoda khimicheskikh reagentov dlya gazodobyvayushchikh dochernikh obshchestv PAO «Gazprom» / Sankt-Peterburg: Gazprom ekspo, 2021. - 82 s.
9.STO Gazprom 3.0-2006. Sistema standartizatsii OAO "Gazprom". Sistema norm i normativov raskhoda resursov, ispolzovaniya oborudovaniya i formirovaniya proizvodstvennykh zapasov OAO «Gazprom». - M.: IRTs Gazprom: VNIIGAZ. -2006. - 28 s.
10.Berezovskiy D. A. Metody preduprezhdeniya i likvidatsii gidratoobrazovaniya pri ekspluatatsii gazovykh skvazhin na primere mestorozhdeniya Uzlovoye / D. A. Berezovskiy, G. V. Kusov, O. V. Savenok // Nauka. Tekhnika. Tekhnologii (politekhnicheskiy vestnik). - 2017. - № 2. - S. 82-108.
11.Troynikova A.A. Sovershenstvovaniye metodov preduprezhdeniya gidratoobrazovaniya na gazovykh i gazokondensatnykh mestorozhdeniyakh : dissertatsiya ... kandidata tekhnicheskikh nauk : 25.00.17 / Troynikova Anna Aleksandrovna; [Mesto zashchity: OOO «Nauchno-issledovatelskiy institut prirodnykh gazov i gazovykh tekhnologiy. - Gazprom VNIIGAZ»]. - Moskva, 2022. - 142 s.
12.Innovatsionnoye upravleniye bezopasnostyu truboprovodnogo transporta uglevodorodov na baze intellektualnogo preduprezhdeniya tekhnogennykh sobytiy i chrezvychaynykh situatsiy / M. Yu. Zemenkova, E. L. Chizhevskaya, Yu. D. Zemenkov, S. Yu. Podorozhnikov // Truboprovodnyy transport: teoriya i praktika. -2021. - № 3(79). - S. 33-40.
