Методы и подходы в борьбе с образованием гидратов в нефтегазовых трубопроводах

Дурды АТАЕВ
Магистр, Институт геологии и нефтегазовых технологий, Казанский федеральный университет
Е-mail: dufari88@gmail.com

Алина ГИМАЕВА
Доцент кафедры разработки и эксплуатации месторождений трудноизвлекаемых углеводородов, к. т. н., Институт геологии и нефтегазовых технологий, Казанский федеральный университет
Е-mail: argimaeva@yandex.ru

Введение

Газовые гидраты – это особая форма природного газа. Это твердое льдоподное вещество, представляющее из себя кристаллический каркас, построенный из связанных водородными связями молекул воды, в полостях которого находятся молекулы газа. В 1810 г. Гемфри Дэви впервые описал гидрат хлора. Природные гидраты были обнаружены в процессе разработки Мессояхского месторождения в Сибири в 1969 г. В наше время газовые гидраты являются потенциальным и стратегически важным сырьем. Исследования по газогидратам проводятся в больших масштабах в США, Китае, Японии, Канаде и странах ЕС, в России к 2020 г. было защищено не менее 20 научных диссертаций по этой теме. При добыче в более агрессивных условиях (глубоководная добыча, увеличенная протяжённость трубопровода, пластовая вода) предотвращение, управление, и ремедиация газовых гидратов являются главными факторами для обеспечения безопасной и непрерывной работы. Образование газовых гидратов в трубопроводе может быть не только быстрым, но и в больших объемах, вызывая неожиданные проблемы с эксплуатацией [1].

Промышленность традиционно придерживалась метода предотвращения образования газогидратов в трубопроводе путем инъекции так называемых термодинамических ингибиторов (например, метанол, моноэтиленгликоль, этанол), которые разжижают газогидрат, как видно на рис. 1.

В этом подходе ингибитор снижает температурный порог образования кристаллов газогидратов и условия давления, что позволяет вести работу вне области формирования газогидрата. Хотя этот метод эффективен для предотвращения образования газогидратов, стоимость и необходимое количество химикатов могут быть значительными [2].
В течение последних 2 десятилетий промышленность искала альтернативный подход к предотвращению образования газогидратов в трубопроводах. Один из таких способов – стратегия управления газогидратами, процесс, когда газогидратам позволяют образовываться в трубопроводах, предотвращая образование агломераций и пробок [3]. Этот подход частично реализован в промышленности с использованием антиагломерантов и низкодозированных ингибиторов гидратообразования. Существуют случаи, когда образование газогидрата и блокировка трубопровода пробками неизбежны из-за незапланированной остановки добычи или аномальных условий работы, вследствие неисправности оборудования. В этих случаях необходимо удалить газогидратную закупорку в трубопроводе, прежде чем нормальная работа может быть возобновлена. Удаление газогидратных закупорок – сложный процесс, так как из закупорки может образоваться «снаряд», свободно перемещающийся в трубопроводе. Далее будет приведен обзор инструментов, разработанных в Центре исследований газогидратов в Colorado School of Mines (CSM).
Объект и методы исследования. В данной статье объектами исследования являются способы борьбы с образованием гидратов газа в трубопроводах. В работе использована методика анализа результатов исследований и публикаций CSM.

Предотвращение образования газогидратов

Консервативный подход к работе с газогидратами в нефтегазовой отрасли – не допускать образования газогидратов в трубопроводе. Этот подход требует знания границы образования газогидрата для углеводородных систем, включая диапазон температуры и условия давления, как показано на рис. 1. Предотвращение образования газогидратов выполняется путем инъекции необходимого количества ингибиторов (например, метанол, этанол, моноэтиленгликоль), вследствие чего термодинамические условия для образования газогидратов становятся неблагоприятными (более низкая температура и высокое давление), как показано на рис. 1. Одним из инструментов для определения условий образования газогидрата и требуемого количества ингибитора является CSMGem (CSM Gibbs Energy Minimization) [4]. CSMGem – это удобный инструмент, который позволяет задавать конкретные параметры углеводородной смеси и получить границу равновесия газогидрата с термодинамическими ингибиторами и без него. Результатом будет график, подобный изображенному на рис. 1. Существуют инструменты, похожие на CSMGem, такие как DBR Hydrates, MultiFlash, и PVTSim. В отличие от других инструментов, CSMGem специализируется на газогидратах. Преимущество CSMGem заключается в том, что он был разработан для рассмотрения широкого спектра экспериментальных данных, также он был протестирован многими пользователями и компаниями в течение нескольких лет. Существуют ограничения для применения CSMGem. Этот инструмент не предлагает выбор уравнений состояний, а сходимость расчетов для систем с высоким содержанием соли (> 5% от общего процента веса) может быть проблематичной. CSMGem также обладает возможностью выполнять расчеты для определения фазы газогидратов в любом заданном состоянии, а также определяет условия сжатия/расширения жидкостей. Стратегия предотвращения образования газогидратов хорошо известна и широко используется в промышленности, так как термодинамика систем четко определена и понята. Среди термодинамических ингибиторов метанол оказался наиболее эффективным, учитывая стоимость и необходимое количество вещества. Моноэтиленгликоль более широко используется для газовых систем, а этанол является преобладающим ингибитором для месторождений в Бразилии.

Управление образованием газогидратов

Стратегия управления газогидратами в нефтяных и газовых трубопроводах является новой концепцией и имеет риски, поскольку газогидратам позволяют образовываться под контролем. Это может в конечном итоге сформировать закупорку, поставив под угрозу постоянную эксплуатацию. Основной идеей в данном подходе является введение химических веществ, называемых антиагломерантами, функционал которых соответствует их названию. Пока газогидраты сохраняются в фазе жидкости, риск закупорки минимизируется.
Для применения стратегии управления нужно очень хорошо понимать процессы формирования газогидрата, агломерации и накопления/осаждения в трубопроводе. Это гораздо более сложная и трудная задача, по сравнению с методом предотвращения образования газогидратов, где необходимы только термодинамические расчёты. Для выполнения этой задачи были разработаны концептуальные модели и были собраны данные для построения физических моделей, описывающих каждый из процессов, участвующих в формировании, агломерации и накоплении газогидратов.
Одна из самых сложных проблем – образование и перенос газогидрата в трубопроводе с многофазным потоком, включающим газ, жидкие углеводороды, воду и газогидраты в виде твердых веществ. Один из концептуальных взглядов о том, как газогидраты могут формироваться и агломерировать до закупорки в трубопроводе, содержащем газ, нефть и воду (показаны на рис. 2 [5]), описывает следующие основные процессы:
До образования газогидратов, фазы эмульгируются в турбулентном потоке с возможным образованием пузырьков газа в соединении с нефтью и водой, воды с эмульгированной нефтью и нефти с эмульгированной водой.

Когда условия температуры и давления находятся в пределах области стабильности газогидрата, он, вероятнее всего, будет образовываться на границе раздела между водой и углеводородным флюидом (нефтью или газом), образуя газогидратную оболочку вокруг капель воды/нефти, эмульгированных в нефти/воде.
Другим возможным местом первоначального образования газогидратов являются стенки труб, поскольку они будут смоченными и будут постоянно подвергаться воздействию газа.
Рост газогидратов будет ограничен либо наличием воды и газа, либо температурой. Первоначальная газогидратная оболочка (толщиной ~30–50 мкм), вероятно, сформируется очень быстро, так как известно, что кинетика газогидратов достаточно быстрая при наличии необходимых для образования компонентов (воды и газа). Вскоре после этого процесс продолжающегося роста газогидратов, как правило, ограничивается массообменом или теплопередачей. В первом случае вода и/или газ должны диффундировать с границей раздела, а во втором необходимо отводить тепло, поскольку образование газогидрата является экзотермическим [6].
Как только в системе окажется достаточное количество газогидратов, суспензия газогидратов изменит реологию системы [7], при этом газогидрат либо взвесится в жидкой фазе, либо осядет на твердой поверхности.
При наличии газогидратов, его частицы могут взаимодействовать, агломерируясь в более крупные агрегаты, или постоянно расти на существующих отложениях на стенке трубы. Взаимодействие газогидратных частиц будет во многом зависеть от фазы флюида. Если частицы газогидрата диспергированы в водной фазе, сила связи между частицами газогидрата минимальна, и они останутся диспергированными. Если частицы диспергированы в нефтяной фазе, вполне вероятно, что частицы будут связываться с образованием крупных агрегатов из-за образования капиллярных мостиков между частицами [8].
Осаждение газогидрата на стенки является важным явлением, которое может отвечать за возможные газогидратные закупорки при установившихся условиях, так как эти отложения могут медленно нарастать со временем. Газогидратные отложения на стенках могут сузить канал потока, аналогично осаждению парафинов/асфальтена.
Последней стадией в этой концептуальной модели является застревание частиц газогидрата, вызывая закупорку системы. Если мы можем понять, как происходит закупорка, то, возможно, получится разработать стратегии, чтобы предотвратить закупоривание системы.
Концептуальная модель, описанная на рис. 2, применима к системам с доминированием нефти и воды. При рассмотрении систем, где доминирует газ, основным механизмом образования газогидрата является отложение на стенке трубы, как показано на рис. 3. Эти отложения могут постепенно расти в течение длительного периода времени, сужая канал потока и вызывать значительные падения давления в системе. Эти отложения также могут отсоединяться от стены из-за сдвига жидкости, и свободные куски газогидратов могут в конечном итоге накапливаться в другом ограничителе потока (например, еще одно газогидратное отложение, клапан, изгиб) и привести к закупорке системы.

Представленные концептуальные модели и явления, связанные с механизмами гидратообразования и закупоривания, составляют основу для многих исследований, которые необходимо выполнить для разработки комплексной модели, которая будет полностью описывать динамику и взаимодействие газогидратов в многофазном потоке. Именно эти концептуальные модели направляли исследования в Центре исследования газогидратов CSM более 10 лет и привели к разработке CSMHyK (CSM Hydrate Kinetics model) и CSMHyFAST (CSM Hydrate Flow Assurance Simulation Tool), которые не только объединяют концепты на рис. 2, но и представляют собой реальную модель, предназначенную для количественного прогнозирования образования газогидратов в многофазном потоке.
CSMHyK и CSMHyFAST в настоящее время являются единственными инструментами для определения когда, где и сколько газогидратов образуется в многофазных нефтяных и газовых трубопроводах. CSMHyK доступен в качестве модуля для OLGA®, симулятора многофазного потока, разработанного SPT Group (дочерняя компания Schlumberger). Он может моделировать системы с доминированием нефти, доминированием воды и доминированием газа. Эти инструменты постоянно развиваются, поскольку продолжают проводиться исследования в этой области.
На рис. 4 показаны репрезентативные данные из симулятора, указывающие на долю фаз вдоль трубопровода, падение давления по разным разделам трубопровода и относительную вязкость, от чего зависит вероятность закупорки [9]. В своей нынешней версии CSMHyK способен рассмотреть образование газогидрата в системе с доминированием нефти.
CSMHyK-OLGA® позволяет моделировать образование газогидратов в многофазном потоке, предоставляя информацию когда, где и сколько газогидратов образуется (рис. 4а). Этот инструмент учитывает установившиеся временные условия и предоставляет средства для оценки риска гидратообразования по перепаду давления (рис. 4б) и относительной вязкости конденсированной фазы (рис. 4в).

CSMHyK был разработан на основе экспериментальных данных и наблюдений в лабораторных условиях и потоках. CSMHyK не был подтвержден фактическими полевыми данными, поскольку газогидратная закупорка на линии потока не образуется намеренно, за исключением случаев на 2 месторождениях – Tommeliten-­Gamma field и The Werner-­Bolley field [9]. Как таковое, насколько известно, использование CSMHyK в промышленности ограничивалось случаями постфактум (CSMHyK использовался для понимания того как, когда и где газогидраты, образованные после газогидратной пробки, уже сформировались и удалялись) или в предварительной оценке проблемных участков в трубопроводах. Истинный тест CSMHyK будет осуществлен после того, как будет рассмотрено несколько случаев, не как решение проблемы обеспечения стабильности потока, а в качестве инструмента для оценки риска возникновения газогидратов в различных месторождениях и условиях эксплуатации.

Ремедиация газогидратов

Закупорки трубопроводов газогидратами происходят с большой частотой. Крайне важно удалить эти закупорки как можно быстрее и безопасно. Любой простой – это потеря выручки. Утешает то, что ни одна скважина не была заброшена из-за газогидратных закупорок.
Газогидратные закупорки, как правило, связаны с проблемами эксплуатации и технического состояния оборудования, поскольку работа построена так, чтобы минимизировать риск их появления при нормальных условиях. В тех случаях, когда причиной снижения потока является газогидратная закупорка, сперва необходимо определить ее примерное расположение, а затем разработать стратегию удаления с соблюдением всех мер предосторожности для исключения повышения давления в трубопроводе. Типичным подходом к удалению газогидратной закупорки является распрессовка с двусторонним стравливанием давления в качестве предпочтительного метода и одностороннее стравливание давления, если это единственный доступный вариант (при напоре жидкости на одной стороне закупорки). Распрессовка плавит газогидратную пробку. Диссоциация закупорки должна быть проведена в достаточной степени для обеспечения связи давления в трубопроводе, чтобы можно было инъецировать жидкости (например, термодинамические ингибиторы) для дальнейшей диссоциации закупорки.
Одним из инструментов, разработанных для помощи в оценке диссоциации газогидратной закупорки, является CSMPlug. Задача этого инструмента состоит в том, чтобы обеспечить время для частичной диссоциации газогидратной пробки, с последующим образованием кольцевого зазора между пробкой и трубопроводом для установления связи по давлению, как показано на рис. 5.

Инструмент может рассматривать двусторонние и односторонние распрессовки, а также рассчитать потенциал превращения газогидратной пробки в «снаряд» в трубопроводе из-за ее возможного смещения при распрессовке. Смещение газогидратной пробки является важным фактором, поскольку во время движения пробки в трубопроводе могут возникать значительные колебания давления. CSMPlug основан на одномерной радиальной модели теплообмена путем теплопроводности и конвекцией через стенку трубы.
Результаты. Термодинамика образования газогидратов хорошо определена и может быть предсказана с уверенностью. Эти данные используются в стратегии предотвращения образования газогидратов для определения смещения границ равновесия газогидрата в присутствии термодинамических ингибиторов. В стратегии управления газогидратов необходимо понимание механизмов образования гидрата в переходном многофазном потоке.

Заключение

Значение газогидратов в сфере обеспечения стабильности потока за последние пару десятилетий существенно возросло, в значительной степени вследствие более широкого понимания явлений, связанных с образованием и накоплением гидратов в многофазном потоке. Образование газогидратов иногда неизбежно, в таких случаях важное значение имеют инструменты для оценки времени для частичной диссоциации газогидратных закупорок и оценки риска безопасности, связанного со смещением этих закупорок в трубопроводе.