Механизм образования гидратных отложений. Гидраты в нефти


Общая характеристика гидратов - Борьба с отложениями в нефтепромысловом оборудовании - Осложнения в добыче и транспортировке нефти - Каталог статей

Общая характеристика гидратов

Нефтяные газы способны при определенных термодинамических условиях вступать во взаимодействие с водой и образовывать твердые соединения, получившие название газовых гидратов.

Гидратами углеводородных газов называются кристаллические вещества, образованные ассоциированными молекулами углеводородов и воды.

Возникновение гидрата обусловлено определенными давлением и температурой при насыщении газа парами воды. Гидраты распадаются после того, как упругость паров воды будет ниже парциальной упругости паров исследуемого гидрата.

Углеводороды и некоторые другие газы, контактирующие с водой в определенных термобарических условиях, также могут образовывать кристаллогидраты. Кристаллогидраты природных газов внешне похожи на мокрый спрессованный снег, переходящий в лёд. Скапливаясь в газопроводах и в другом оборудовании, они могут вызывать частичную или полную их закупорку и тем самым нарушить нормальный режим работы.

В реальных условиях добычи, сбора и подготовки газа на промыслах имеют дело не с отдельными компонентами, а со смесями углеводородных газов, включающих в свой состав различные газы-наполнители (СО2; Н2; N2; Н2S). Эти смеси образуют смешанные гидраты, состав которых изменяется в зависимости от давления.

В зависимости от условий образования внешне гидраты являются прозрачными кристаллами разнообразной формы:

  • в турбулентном потоке — это масса спрессованного снега,
  • в ламинарном — кристаллы, имеющие формы тетрадекаэдра, додекаэдра и гексадекадекаэдра.

Гидраты обладают высокой сорбционной способностью и поэтому покрываются пленкой из жидких, а иногда и твёрдых углеводородов. К последним относятся смолы, асфальтены, парафины, механические примеси. Эти соединения значительно упрочняют гидраты, делают их более стойкими к разрушению. Кроме того, они увеличивают их адгезионные свойства, т.е. способность к прилипанию к элементам оборудования и друг к другу.

Состав газа определяет условия образования гидратов. Из входящих в состав нефтяных газов и нефтей компонентов гидраты образуют азот, сероводород, углекислый газ, метан, этан, водород, пропан и изобутан.

Насыщение газа парами воды — одно из условий гидратообразования. Этот процесс происходит при взаимодействии на газовую смесь давления, температуры, минерализации воды. Поскольку в пластовых и скважинных условиях все указанные факторы меняются, значение влагосодержания газа также может изменяться.

Для промысловой практики весьма важно знать интервал образования гидратов в скважине или трубопроводе для эффективной борьбы с ними. Поэтому оценка значения влагосодержания газа по стволу скважины является одной из задач прогнозирования места гидратообразования.

Зная давление и температуру по стволу скважины, влагоемкость газа, содержание соли в растворе, плотность газа по воздуху и его молекулярную массу, можно получить интервал гидратообразования.

Растворимость воды в жидких углеводородах зависит от давления, температура, молекулярного состава и при определенных условиях приводит к гидратообразованию при перекачке и переработке.

Газы хорошо растворяются в воде даже при низких давлениях. Непредельные углеводороды, углекислота и сероводород увеличивают растворимость газа, а азот и гелий — снижают.

В процессе добычи и транспортировки состояние газожидкостной смеси постоянно меняется:

  • при пластовом давлении выше давления насыщения газ растворен в жидкости;
  • при поддержании пластового давления снижается температура пласта;
  • обводнение ведет к увеличению влагосодержания газа;
  • в стволе скважины от забоя до устья снижаются давление и температура, газоотделение увеличивается; влагосодержание газа у устья, в сепараторах, в газосборном коллекторе и магистральных газопроводах постоянно и определяется заданным режимом каждого узла.

Образование гидратов в процессе движения смеси, возможно, во всех элементах системы.

www.neftepro.ru

Механизм образования гидратных отложений

Природные газы при высоких давлениях и пониженных температурах вступают в соединение с водой и образуют твердое соединение – гидрат. Условия гидратообразования в нефтяной скважине зависят от многих факторов: температуры и давления в продуктивном пласте, дебита и об­водненности продукции, количества газа и его состава, коэффициентов теплопроводности и теплопередачи труб, цементного раствора и пород, окружающих скважину, и др. Процесс гидратообразования протекает при воздействии на газовую смесь давления, температуры и минерали­зации воды, которые меняются в пластовых и скважинных условиях, что влияет на влагосодержание газа.

Термодинамические условия, соответствующие образованию гидрат-ных отложений непосредственно в пласте, обычно приурочены к районам распространения многолетнемерзлых пород (ММП).

В процессе добычи и транспорта водонефтегазовой смеси ее со­стояние постоянно меняется. Давление насыщения – это такое давление, ниже которого из жидкости начинает выделяться растворенный в ней газ. При пластовом давлении выше давления насыщения газ растворен в жидкости. В НКТ при движении нефти в некоторый момент начинается ее разгазирование. Сначала газ выделяется в пузырьковой форме. По мере подъема количество его постепенно увеличивается, и может образоваться отдельная газовая фаза, движущаяся параллельно с нефтью. В стволе скважины от забоя до устья снижаются температура и давление, газоот­деление увеличивается. Обводнение продукции скважины увеличивает влагосодержание газа. При поддержании пластового давления снижается температура пласта и часть газа начинает выделяться из жидкости.

Место и интенсивность накопления гидратов в скважине изменяют­ся и зависят от режима ее работы. Чем выше дебит, тем ближе к устью образуется гидратная пробка. Длительная работа скважины приводит к прогреву окружающих пород. Наиболее часты случаи образования гидратов в стволе либо длительно простаивающих скважин, либо при их консервации.

При расположении динамического уровня в зоне ММП гидраты об­разуются из растворенных в нефти легких газов и воды, находящейся

в эмульсионной форме. Между динамическим уровнем и ММП существует гидратоопасная область, в которой процессы гидратообразования проис­ходят наиболее часто.

В затрубном пространстве процессы более статичны. Нефть доходит до линии динамического уровня, где не исключено образование пены, ко­торая может занимать большой интервал по высоте. Выше динамического уровня в затрубном пространстве находится газ, компонентный состав которого отличается от состава пузырькового газа в НКТ. По мере подъема газа он охлаждается, из него выделяется жидкая фаза – газовый конденсат, который осаждается на стенках эксплуатационной колонны в виде пленки. При добыче обводненной нефти из нее выделяются пары воды, они тоже конденсируются на стенке. Сконденсировавшиеся вода и конденсат вместе стекают вниз.

При малом количестве воды (эмульсия типа «вода в нефти») со стенкой эксплуатационной колонны контактирует преимущественно нефть, в этом случае гидратообразование будет затруднено. При большом количестве воды (эмульсия типа «нефть в воде») в результате непосредственного кон­такта воды со стенкой эксплуатационной колонны условия гидратообразо-вания более благоприятны.

Рис. 20. Гидратообразование нефтяной скважины

Похожие статьи:

poznayka.org

Образование гидратов в скважинах

В ряде случаев между забоем и устьем скважины возникают условия (состав, влажность, давление, температура и т. д.), необходимые для образования гидратов.

В большинстве же случаев температура газа на забое скважины при движении газа вверх может стать ниже температуры гидратообразования. В результате скважина забивается гидратами.

Изменение температуры газа вдоль ствола и на устье скважины можно определить при помощи глубинных термометров или расчетным путем по приведенным в предыдущем разделе зависимостям..

Анализ факторов, влияющих на изменение температуры по стволу скважин, показывает, что тепловой режим в процессе ее эксплуатации меняется в зависимости от дебита: с увеличением дебита температура газового потока по стволу повышается (рис. 2.3.). Таким образом, при регулировании дебита можно изменять температуру образования гидратов. Это хорошо видно из рис. 2.4. Давление на устье р, температура газа на устье Т и равновесная температура образования гидратов изменяются в зависимости от дебита скважины. Для рассматриваемых условий режим безгидратной эксплуатации обеспечивается при дебитах от 1 млн. до 7 млн. м3/сут. Оптимальный дебит, обеспечивающий максимальный запас температуры, составляет примерно 3млн. м3/сут.

 

Температура образования гидратов в стволе при заданном расходе зависит также от диаметра колонны, а именно, режим безгидратной эксплуатации сдвигается в сторону больших оптимальных дебитов с увеличением диаметра.

Влияние изменения диаметра фонтанных труб и расхода газа на температуру гидратообразования необходимо учитывать при выборе режима работы скважин. Следует сказать, что существует такой дебит, при котором температура газа на устье максимальна и дальнейшее повышение дебита приводит к понижению температуры. В данном случае создаются условия, благоприятные для образования гидратов.

Объясняется это тем, что при очень большом расходе газа потери давления увеличиваются настолько, что снижение температуры за счет эффекта Джоуля Томсона начинает преобладать над повышением ее за счет высоких скоростей газа в скважине.

Место выпадения гидратов в скважинах зависит от многих факторов. Определяют его по точкам пересечения равновесных кривых образования гидратов и изменения температур по стволу скважин (рис. 2.5). Образование гидратов в стволе скважины можно заметить по снижению рабочего давления на устье скважины и уменьшению дебита газа.

 

 

oilloot.ru

Новые источники нефти и газа — 3. Газовые гидраты

1. Природа

Под газовыми гидратами, как альтернативным источником природного газа, подразумеваются клатратные соединения метана с водой[1]. Клатраты – это химические соединения, в которых молекула-гость (в нашем случае – метан), находится в клетке, сформированной кристаллической решеткой молекулы-хозяина (в нашем случае – воды). Элементарная ячейка кристаллического гидрата метана состоит из двух додекаэдров и шести тетрадекаэдров (полиэдр с четырнадцатью сторонами), образованных молекулами воды, в центре каждого из которых находится молекула метана. В результате на одну ячейку с восемью молекулами метана приходится, учитывая, что некоторые молекулы воды оказываются в нескольких ячейках сразу, 46 молекул воды, давая формулу гидрата метана (CH₄)₄(H₂O)₂₃. По весу метан в клатрате составляет 13.4%, хотя эта цифра может варьироваться в зависимости от того, сколько конкретно метана встроено в определенную структуру кристаллов воды. Следовательно, один литр гидрата метана будет содержать около 120 грамм метана, что соответствует 169 литрам газообразного метана при 0°С и 1 атмосфере.

Гидрат метана в лаборатории впервые получил Виллар в 1888 году, вместе с гидратами других легких углеводородов[2]. Клатратная природа газовых гидратов была подтверждена в 1950-е годы после рентгеноструктурных исследований Штакельберга и Мюллера, а также других зарубежных исследователей. В 1966 году Ю.Ф. Макогоном была опубликована статья, в которой он доказал возможность существования природных газов в твердом состоянии в земной коре в виде гидратов[3]. Статья была принята геологами и геохимиками в штыки, и, чтобы убедить их, потребовалось провести совершенно нетривиальные эксперименты, моделирующие процессы в газоносных пластах, а также отыскать реально существующие в природе месторождения[8]. С тех пор газовые гидраты начинают рассматриваться как потенциальный источник топлива.

Считается, что гидраты метана образуются, когда природный газ, образованный в глубинах земли, просачивается по геологическим разломам и выходит наружу на дне океанов или в областях вечной мерзлоты. При контакте с водой при низкой температуре и высоком давлении образуются кристаллические клатраты[4].

Океанические клатраты подразделяются на два типа. В первом, наиболее распространенном, более 99% углеводородов, содержащихся в клатрате, составляет метан. Из-за изотопного состава этого метана считается, что он образовался при анаэробном восстановлении микробами углекислого газа, образующегося при разложении аэробными бактериями океанической органики[5]. Также, так как в структуре клатратов отсутствует соль, понятно, что они легче образуются в пресной воде. При образовании же кристаллов в соленой океанической воде, происходит ее опреснение, что приводит к повышению концентрации соли в окружающей воде. Такие клатраты находятся обычно на глубине от 300 до 500 метров в толще донных отложений, где температура воды у дна составляет около 2°С.

Второй, более редкий тип клатратов, содержит больший процент тяжелых углеводородов и, соответственно, меньше 99% метана. Считается, что углеводороды в эти гидраты проникают, мигрируя наверх из глубинных отложений, где метан образуется термическим разложением органического вещества. Такие клатраты были найдены в Мексиканском Заливе и на дне Каспийского моря.

Также существует смешанный тип клатратов, изотопный состав которого указывает на то, что метан в них образовывался обоими путями. Такие клатраты можно найти как на океанском дне, так и на суше, в вечной мерзлоте на глубине до 800 метров. Их находят на Аляске, в Сибири и в северной Канаде.

2. Распространение

Гидраты метана образуются в верхних слоях литосферы на глубине меньше 2-х км. Эти регионы включают осадочные породы в полярных регионах, где средняя температура на поверхности меньше 0°С, шельфовые регионы, а также глубокие пресноводные озера, такие как Байкал[6].

Размеры океанических запасов гидратов метана измерены не очень хорошо. Начиная с 1960-х годов, когда их существование было открыто, оценки этих размеров уменьшались каждое следующее десятилетие примерно на порядок. Первые, самые большие, цифры были получены, основываясь на предположении о том, что клатраты могут покрывать ровным слоем все дно океанов на достаточно большой глубине. Далее было установлено, что клатраты образуются только на определенном промежутке глубин континентального шельфа, да и то не всегда, а если и образуются, то концентрация метана в них обычно намного меньше максимально возможной. Тем не менее, современные оценки дают цифру порядка 1015 м³. Это соответствует цифре около 2000 гигатонн углерода, что почти на порядок превышает все прочие запасы природного газа на планете, составляющие примерно 230 гигатонн углерода[7].

3. Добыча

Так как запасы природного газа в газовых гидратах намного превосходят все прочие запасы метана на планете, промышленная добыча метана из клатратов представляется перспективной, особенно в долговременной перспективе, а также для таких стран как Япония, не имеющих других источников природного газа. С другой стороны, существует довольно много проблем, связанных с добычей гидратов метана, таких как отсутствие технологий для обнаружения месторождений и извлечения газа, а также факт того, что в большинстве известных месторождений метан оказывается слишком рассеянным для экономически выгодной добычи[4].

Тем не менее, такие технологии разрабатываются, и уже существуют примеры удачного извлечения метана из гидратов. В Институте Физики и Технологии Университета Бергена был разработан метод, заключающийся в закачивании в гидраты углекислого газа, напрямую замещающего метан в клатратах и позволяющего, таким образом, получать метан, не прибегая к непосредственной добыче самих гидратов. Этот метод уже тестируется Японской Национальной Корпорацией Нефти, Газа и Металлов (JOGMEC) при поддержке Американского Департамента Энергетики.

Исследователи из Дортмундского университета предложили метод извлечения метана путем нагревания клатратов в толще пласта. Проект предполагает прокладку трубопровода с платформы на поверхности моря до залежей газогидратов на морском дне. Особенность его в том, что у трубы двойные стенки. По внутренней трубе к месторождению подается морская вода, нагретая до 30–40˚С. При этой температуре начинается фазовый переход, и пузырьки газообразного метана вместе с водой поднимаются по внешней трубе наверх. Там метан отделяется от воды, отправляется в цистерны или в магистральный трубопровод, а теплая вода возвращается вниз, к залежам газогидратов[8].

12 марта 2013 года исследователи из JOGMEC сообщили, что им удалось успешно извлечь природный газ из кристаллических гидратов метана[9]. Для извлечения газа в подводных отложениях была пробурена скважина, в которой затем создали пониженное давление, благодаря которому метан отделился ото льда и был выкачан на поверхность, где его сожгли, чтобы продемонстрировать успех операции[10]. По словам представителей компании, это был первый успешный эксперимент по извлечению природного газа из шельфовых метангидратов. До этого проводились эксперименты по извлечению газа на суше, но разработка технологий по извлечению газа из шельфовых залежей является более перспективной, так как такие месторождения более широко распространены[6].

В России единой программы по изучению газовых гидратов на государственном уровне пока не существует. В 2003 году в Новосибирске в Институте неорганической химии СО РАН, на второй российской конференции «Газовые гидраты в экосистеме Земли» была подчеркнута необходимость создания российской национальной программы исследования газовых гидратов, но программа так и осталась на бумаге. Существует проект по изучению газовых гидратов Байкала, есть отдельные программы исследований газовых гидратов по линии Академии наук, в том числе программа фундаментальных исследований «Природные газовые гидраты» в Сибирском отделении наук. Тем не менее понятно, что изучение и использование газовых гидратов в России пока не слишком актуально, поскольку в стране сосредоточена треть разведанных мировых запасов традиционного природного газа[11].

4. Газовые гидраты в газодобывающей промышленности

Метановые клатраты часто образуются при добыче и транспортировке природного газа, когда жидкая вода кристаллизуется при наличии метана при высоком давлении. Также клатраты могут образовываться с более тяжелыми гомологами метана, такими как этан (С₂Н₆) и пропан (С₃Н₈), также содержащимися в природном газе. С другой стороны, слишком длинные молекулы, такие как бутан (С₄Н₁₀) и пентан (С₅Н₁₂), уже не помещаются в полости кристаллической решетки, образованной молекулами воды, и склонны скорее препятствовать образованию клатратов.

Образующиеся гидраты могут образовывать пробки в трубопроводах и перерабатывающем оборудовании. Их удаляют, снижая давление, нагревая трубы, или растворяя их химически, чаще всего метанолом. Делать это необходимо аккуратно, так как при быстром распаде клатратов практически мгновенно образуется большой объем метана, что может привести к резкому повышению давления, могущему повредить оборудование[12].

Для предотвращения образования твердых гидратов применяются различные методы. В первую очередь, конечно, простым удалением примесей воды из транспортируемого и перерабатываемого газа, а также добавлением этиленгликоля или метанола, работающих в качестве антифризов.

Также метангидраты могут быть одной из причин выбросов при бурении глубоководных скважин. При бурении газ может проникать в скважину, образуя из-за высокого давления и низкой температуры твердые гидраты с попадающей в скважину водой. Потом твердые гидраты всплывают с грязью и прочими побочными жидкостями. Чем выше они всплывают, тем меньше становится давление, и в какой-то момент они разлагаются на газ и воду с резким увеличением объема. Резкое расширение газа выбрасывает жидкость из скважины, еще больше уменьшая давление, что приводит к еще большему разложению гидратов и дальнейшему увеличению силы выброса[13]. Поэтому при бурении глубоководных шахт применяются различные меры, необходимые для регуляции и контроля давления.

Еще одна проблема, возникающая при разработке метана, связана с возможным вредом, который такая разработка может представлять для окружающей среды. Когда залежи располагаются на крутых склонах в непосредственной близости от морского дна, то они служат цементирующим компонентом осадочных пород. Широкомасштабная разработка месторождений может вызвать подводные оползни и, как следствие, разрушительные приливные волны — цунами. Например, разложением газогидратов объясняют действие подводных грязевых вулканов в Каспийском море и у берегов Панамы.

С другой стороны, есть и возможные положительные применения газовых гидратов для транспортировки природного газа. Так как температура их образования намного выше, чем температура образования жидкого метана (–20 против –162°С), для уменьшения объема газа превращением его в гидраты понадобится меньше энергии, чем для сжижения. Практическая ценность данной технологии в том, что она позволяет разрабатывать отдаленные газовые месторождения и использовать попутный газ одиночных месторождений нефти там, где прокладка специального газопровода нерентабельна (в частности, на шельфе). Недостатком такого метода является то, что вместо транспортировки 100 тонн жидкого газа пришлось бы транспортировать 750 тонн клатратов, поэтому этот метод требует доработки.

5. Газовые гидраты и глобальное потепление

Метан является мощным парниковым газом и, несмотря на то, что его время жизни в атмосфере меньше, чем у СО₂, потепление, вызванное выбросами в атмосферу больших количеств метана, будет в десятки раз быстрее, чем потепление, вызванное углекислым газом. Поэтому некоторые экологи считают, что разработка месторождений газогидратов может привести к негативным последствиям, поскольку попутное выделение метана из залежей в атмосферу еще больше усилит парниковый эффект.

Еще одна проблема заключается в том, что клатраты метана образуются только при достаточно низких температурах. Если глобальное потепление, вызванное нынешними действиями человеческой цивилизации, будет достаточным для того, чтобы привести к распаду хотя бы одного крупного месторождения газовых гидратов, это приведет к выбросу огромных количеств метана в атмосферу. Это приведет к дальнейшему ускоренному потеплению, что, в свою очередь, приведет к распаду новых залежей газовых гидратов. Может начаться лавинообразный процесс ускоренного глобального потепления, остановить который можно будет примерно с тем же успехом, с которым можно остановить выстрел из ружья после воспламенения пороха в стволе. Это приведет к глобальным климатическим изменениям за время меньшее времени человеческой жизни, и может закончиться частичным или даже полным вымиранием человечества. Примеры такого глобального вымирания видов, возможной причиной которых были газовые гидраты, известны палеонтологии. Самым ярким из таких примеров является массовое пермское вымирание, произошедшее 251 миллион лет назад и приведшее к вымиранию 96% видов земных организмов[14]. Исследования, проведенные в арктических областях Сибири, показывают, что там уже происходит выброс миллионов тонн метана[15], а концентрации в некоторых регионах достигают значений, в сто раз превышающих норму[16].

[1] http://peggy.uni-mki.gwdg.de/docs/kuhs/clathrate_hydrates.html

[2] Дядин Ю. А., Гущин А.Л. Газовые гидраты. // Соросовский образовательный журнал, №3, 1998, с. 55–64

[3] http://ross-nauka.narod.ru/02/02−075.html

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Methane_clathrate

[5] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0146638096000022

[6] http://telegrafist.org/2013/04/29/54089/

[7] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825203001296

[8] Химия и Жизнь, 2006, №6, стр. 8.

[9] http://www.bbc.co.uk/news/business-21752441

[10] http://www.nytimes.com/2013/03/13/business/global/japan-says-it-is-first-to-tap-methane-hydrate-deposit.html?_r=0

[11] http://www.tmnsc.ru/gazovye-gidraty-2013-toplivo-buduschego

[12] http://books.google.ru/books?id=fd8QFKwcSskC&printsec=frontcover&hl=ru#v=onepage&q&f=false

[13] http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs12182−009−0010−3

[14] http://www.bbc.co.uk/science/horizon/2002/dayearthdied.shtml

[15] http://www.cosis.net/abstracts/EGU2007/01071/EGU2007-J-01071.pdf?PHPSESSID=e

[16] http://www.independent.co.uk/environment/climate-change/exclusive-the-methane-time-bomb-938932.html

polymus.ru

Газовые гидраты – топливо будущего? // Нефтехимия // Наука и технологии

Мировые запасы газовых гидратов по некоторым оценкам в несколько раз превышают запасы обычного газа. Но станут ли газовые гидраты основным источником топлива? 

Мировые запасы газовых гидратов по некоторым оценкам в несколько раз превышают запасы обычного газа. Но станут ли газовые гидраты основным источником топлива? Нужна ли России национальная программа по их изучению, если мы и так владеем третьей частью мировых запасов газа? На эти и другие вопросы "Инновационный вестник" ищет ответы вместе с Анатолием Нестеровым, главным научным сотрудником Института криосферы земли СО РАН, доктором химических наук.

Интерес, проявляемый в настоящее время к газовым гидратам, в первую очередь обусловлен значительными ресурсами природного газа, находящегося в земной коре в газогидратной форме. Величина этих запасов как минимум в несколько раз превосходит ресурсы традиционного газа, что позволяет считать газовые гидраты одним из перспективных нетрадиционных источников углеводородного сырья. Проблема добычи газа из гидратов заключается в том, что основная часть природных газовых гидратов (98%) сосредоточена в акватории мирового океана, на глубине начиная примерно с 300-500 м.

Кроме того, при относительно небольших изменениях термобарических условий (температуры и давления) газовые гидраты разлагаются на воду и газ, что сопровождается неконтролируемым выбросом газа в атмосферу.

Как рассказывает Анатолий Нестеров, процесс гидратообразования служит как бы геохимическим барьером на пути выброса тепличного газа в атмосферу, но при увеличении температуры метан из разрушающихся гидратов может подниматься на поверхность земли. Поэтому места скопления газовых гидратов, в которых самым распространенным газом является метан, должны учитываться при составлении прогнозов изменения глобального климата.

В то же время свойство природных газовых гидратов разрушаться при сравнительно слабом целенаправленном воздействии может обеспечить возможность их коммерческой эксплуатации. В качестве примера подобных работ можно указать на недавно проведенные специалистами США, Канады и Японии успешные эксперименты по получению газа из газогидратной залежи в подмерзлотных породах на месторождении Малик (дельта реки Маккензи, Канада), в Японии подобные работы проводятся в районе подводного желоба Нанкаи (Японское море).

Газовые гидраты были получены еще в 1811 году, но долгое время оставались объектом исключительно лабораторного исследования. В 1934 году исследованиями американского ученого Гаммершмидта было установлено, что газовые гидраты могут образовываться в газопроводах, вызывая их закупорку. Впервые существование гидратов в природных условиях было зарегистрировано российскими учеными - Ю. Макогоном, Ф. Требиным, А. Трофимуком, Н. Черским и В. Васильевым - в 1969 году. До начала 90-х годов Советский Союз удерживал одно из лидирующих мест в мире в области изучения газовых гидратов. После распада СССР газогидратные исследования на постсоветском пространстве были свернуты.

Тем временем в мире начался газогидратный "бум". Учитывая тот факт, что Япония 97% природного газа закупает в других странах, изучение газовых гидратов как потенциального источника топлива стало для Японии одной из приоритетных задач. Именно японцы разработали технологию транспортировки газа в лед-газогидратных таблетках, которые можно хранить и перевозить при низких температурах. Пока технология находится на опытной стадии, в дальнейшем ее можно использовать для транспортировки газа (около 60% разведанных запасов газа относятся к категории труднодоступных, добывать которые и транспортировать по трубе экономически невыгодно).

 

 

Сейчас в Японии функционирует государственная программа по изучению газовых гидратов, создан консорциум, объединяющий японские фирмы и исследовательские организации, работающие в данной области (координатор программы - Японская национальная нефтяная корпорация). Программы по изучению газовых гидратов есть также в США ("Национальная долгосрочная программа по метангидратам"), Канаде, Великобритании, Индии.

В России же единой программы по изучению газовых гидратов на государственном уровне пока не существует. В 2003 году в Новосибирске в Институте неорганической химии СО РАН прошла вторая российская конференция "Газовые гидраты в экосистеме Земли", на которой была подчеркнута необходимость создания российской национальной программы исследований газовых гидратов, но дальше этого дело не продвинулось. Как рассказывает Анатолий Нестеров, программа так и осталась на бумаге. Существует проект по изучению газовых гидратов Байкала, есть отдельные программы исследований газовых гидратов по линии Академии наук, в том числе межинтеграционная программа фундаментальных исследований "Природные газовые гидраты" в Сибирском отделении наук.

Понятно, что использование газовых гидратов в России в качестве топлива пока не слишком актуально, поскольку в стране сосредоточена треть разведанных мировых запасов газа. Гидратный газ станет интересен в качестве источника топлива, когда кончится обычный газ. "Это открытый вопрос, когда кончится обычный газ и кончится ли он вообще, - комментирует Анатолий Нестеров. - Когда я учился в школе, нам рассказывали, что запасов нефти и газа хватит лет на пятьдесят. Между тем наука не стоит на месте, появляются новые технологии. Если раньше газ добывали с глубины сеноманских отложений (порядка 1000–1500 м), то сейчас речь идет о разработке ачимовских отложений (глубина залегания свыше 3500 м). Кроме того, точные запасы газа на земле неизвестны, есть только разведанные. По некоторым оценкам, огромные запасы газа есть в Арктике. Также есть запасы угля, которых хватит на тысячу лет, так что если кончится газ, то есть уголь".

По словам Анатолия Нестерова, газовые гидраты будут использоваться в качестве основного источника топлива в мире тогда, когда их добыча станет дешевле, чем обычного газа или нефти. "Все упирается в вопросы экономики, - рассказывает ученый. - Основная часть газовых гидратов сосредоточена в акватории мирового океана, поэтому доставка и получение из газовых гидратов газа достаточно дорогостоящий процесс. С другой стороны, если стоимость нефти уже взлетела до 150 долларов за баррель, то стоит задуматься над альтернативными источниками топлива".

Но есть и другие аспекты исследований газовых гидратов. Дело в том, что при добыче газа гидраты могут образовываться в стволах скважин, промышленных коммуникациях и магистральных газопроводах. Отлагаясь на стенках труб, гидраты резко уменьшают их пропускную способность. На борьбу с газогидратными пробками у нефтегазовых компаний уходит около 20% стоимости добычи газа. Для предупреждения образования гидратов на газовых промыслах в скважины и трубопроводы закачивают различные ингибиторы (метиловый спирт, гликоли, растворы солей), поддерживают температуру потока газа выше температуры гидратообразования с помощью подогревателей, теплоизоляцией трубопроводов и подбором режима эксплуатации, обеспечивающего максимальную температуру газового потока. Для предупреждения гидратообразования в магистральных газопроводах наиболее эффективна газоосушка - очистка газа от паров воды.

Разработка вышеуказанных газогидратных технологий требует проведения серьезных исследований. Хотя суммарное количество полученных с 1940 года авторских патентов и свидетельств превышает 500, реальных успехов в этом направлении пока нет. Причина незначительного практического использования газогидратных технологий заключается в некомплексности имеющихся технических предложений, отсутствии их экономического обоснования.

В настоящее время группа российских ученых (московских, новосибирских, тюменских, иркутских) готовит коллективную монографию, которая обобщает результаты исследований природных газовых гидратов. Основное назначение этой работы - ознакомление научного и бизнес-сообществ России с состоянием и перспективами газогидратных исследований, а также подготовка научных кадров для развития такого рода исследований. Сейчас ученые направили заявку на получение гранта фонда Кауфмана на издание электронной книги.

В тюменском Институте криосферы Земли СО РАН разработан научно-исследовательский проект по газовым гидратам. В рамках проекта сотрудники Института криосферы занимаются изучением условий образований и разрушений газовых гидратов, изучением различных добавок, которые влияют на условия гидратообразования. Подобные разработки могут представлять интерес для российской нефтегазовой промышленности, способны помочь при разработке технологий предупреждения гидратообразования в системах сбора и промысловой подготовки газа, в решении технических проблем бурения и эксплуатации скважин в толще мерзлых пород. Пока исследования тюменского института направлены главным образом на изучение фундаментальных проблем и в меньшей степени прикладных, но, как говорит Анатолий Нестеров, ученые готовы проводить и прикладные исследования. 

 

neftegaz.ru

1.2.Влагосодержание и гидраты природных газов состав гидратов природных газов

Гидратами углеводородных газов называются кристаллические вещества, образованные ассоциированными молекулами углеводородов и воды; они имеют различную кристаллическую структуру.

Свойство гидратов газов позволяет рассматривать их как твердые растворы. Исследования показывают, что содержание водяного пара в газообразной фазе в системе газ - гидрат меньше, чем в системе газ - вода.

Возникновение гидрата обусловлено определенными давлением и температурой при насыщении газа парами воды. Гидраты распадаются после того, как упругость паров воды будет ниже парциальной упругости паров исследуемого гидрата.

Углеводородные и некоторые другие газы, контактирующие с водой при определенных давлении и температуре, также могут образовывать кристаллогидраты. Кристаллогидраты природных газов внешне похожи на мокрый спрессованный снег, переходящий в лед. Плотность гидратов несколько меньше плотности воды – 980 кг/м3. Образование их сопровождается выделением тепла, разложение – поглощением. Существует мнение ученых-геологов, что, значительные запасы природного газа связаны с газогидратными залежами, расположенными в зонах вечномерзлотных пород, и на дне океанов, где, как известно, температура составляет 230 С.

1.3.Состав и некоторые свойства вод нефтяных и газовых месторождений

Пластовые воды являются обычным спутником нефти.

Вода обладает способностью смачивать породу и потому она обволакивает тончайшей пленкой отдельные зерна ее, а также занимает наиболее мелкие поровые пространства. Вода, залегающая в одном и том же пласте вместе с нефтью или газом, называется пластовой. В нефтегазоносных залежах распределение жидкостей и газов соответствует их плотностям: верхнюю часть пласта занимает свободный газ, ниже залегает нефть, которая подпирается пластовой водой. Однако пластовая вода в нефтяных и газовых залежах может находиться не только в чисто водяной зоне, но и в нефтяной и газовой, насыщая вместе с нефтью и газом продуктивные породы залежей. Эту воду называют связанной или погребенной.

Осадочные породы, являющиеся нефтяными коллекторами, формировались, в основном, в водных бассейнах. Поэтому еще до проникновения в них нефти поровое пространство между зернами породы было заполнено водой. В процессе тектонических вертикальных перемещений горных пород (коллекторов нефти и газа) и позднее углеводороды мигрировали в повышенные части пластов, где происходило распределение жидкостей и газов в зависимости от плотности. При этом вода вытеснялась нефтью и газом не полностью, так как основные минералы, входящие в состав нефтесодержащих пород, гидрофильные, т.е. лучше смачиваются водой, чем нефтью. Поэтому вода при вытеснении ее нефтью в процессе образования нефтяных залежей частично удерживалась в пластах в виде тончайших пленок на поверхности зерен песка или кальцита и в виде мельчайших капелек в точках контакта между отдельными зернами и в субкапиллярных каналах. Эта вода находится под действием капиллярных сил, которые значительно превосходят наибольшие перепады давлений, возникающие в пласте при его эксплуатации, и поэтому остается неподвижной при разработке нефтегазовой залежи.

Отношение объема воды, содержащейся в породе, к объему пор этой же породы называется коэффициентом водонасыщенности:

в = ,

где в - коэффициент водонасыщенности; Vв - объем воды в породе; Vп ‑ объем пор.

Отношение объема нефти, содержащейся в породе, к общему объему пор называется коэффициентом водонасыщенности:

н = ,

где н - коэффициент нефтенасыщенности; Vн - объем нефти в породе.

Содержание связанной воды в породах нефтяных залежей колеблется от долей процента до 70% объема пор и в большинстве коллекторов составляет 2030% этого объема.

Исследованиями установлено, что при содержании в пласте воды до 3540% и небольшой проницаемости пород пласта из скважин может добываться безводная нефть, так как связанная вода в этом случае в пласте не перемещается.

Пластовые воды обычно сильно минерализованы. Степень их минерализации колеблется от нескольких сот граммов на 1 м3 в пресной воде до 80 кг/м3 в сильноминерализованных водах и до 300кг/м3 в рапах.

Наиболее характерным признаком для распознавания вод является их химический состав.

В состав вод нефтяных месторождений входят, главным образом, хлориды, бикарбонаты и карбонаты металлов натрия, кальция, калия и магния. Содержание хлористого натрия может доходить до 90% от общего содержания солей. Иногда встречается сероводород и в виде коллоидов окислы железа, алюминия и кремния. Часто присутствует йод и бром, иногда в таком количестве, что вода может быть объектом их промышленной добычи.

Воды нефтяных месторождений отличаются от поверхностных или отсутствием сульфатов (соединений SO4), или их слабой концентрацией. Помимо минеральных веществ, в водах нефтяных месторождений содержатся некоторые минеральные вещества, углекислота, легкие углеводороды, нафтеновые и некоторые жирные кислоты.

Минерализация воды характеризуется количеством растворенных в ней минеральных солей. Степень минерализации вод часто выражается их соленостью, т.е. содержанием растворенных в воде солей, отнесенных к 100 г раствора.

Воды нефтяных месторождений делятся на два основных типа: жесткие и щелочные.

На практике для классификации вод принимают классификацию Пальмера, который рассматривает воду как раствор солей. Каждая соль, растворяясь в воде, придает ей определенные свойства. Например, раствор поваренной соли делает воду нейтральной. Жесткость придают воде сульфаты кальция и магния, образующие «вторичную соленость».

Плотность воды зависит от степени ее минерализации и от температуры.

Коэффициент сжимаемости воды, т.е. изменение единицы объема ее при изменении давления на 0,1 МПа в пластовых условиях, находится в пределах 3,7·10-5  5·10-5 1/0,1 МПа в зависимости от температуры и абсолютного давления. Содержание в воде растворенного газа повышает ее сжимаемость.

Растворимость газов в воде значительно ниже растворимости их в нефтях. Рост минерализации воды способствует уменьшению растворимости в ней газа.

В прямой зависимости от минерализации вод находится и электропроводность. Пластовые воды являются электролитом.

Воды нефтяных месторождений могут содержать бактерии органических веществ, которые придают различную окраску (розовую, красную, молочную).

Вязкость пластовой воды при200С составляет 1мПа·с, а при 1000С – 0,284 мПа·с.

studfiles.net

Отложение - гидрат - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Отложение - гидрат

Cтраница 1

Отложение гидратов в НКТ наблюдается как для газовых, так и для нефтяных скважин. Рассмотрим возможные механизмы образования гид-ратных пробок в газовых скважинах. В действующих эксплуатационных скважинах обычно подбирается безгидратный термобарический режим их работы, а если это невозможно или нецелесообразно по условиям разработки залежи, то предусматривается подача ингибитора на забой скважины. Поэтому образование сплошной гидратной пробки в действующей эксплуатационной скважине следует рассматривать как грубое технологическое нарушение. Образование же гидратных пробок в простаивающих газовых скважинах связано в основном с некоторой негерметичностью фонтанной арматуры. После остановки скважины газ постепенно охлаждается до температуры окружающего грунта, при этом влага конденсируется главным образом на стенке НКТ с последующим переходом в гидратное состояние и дальнейшим ростом гидратного слоя. Оценки, приведенные в [103] исходя из действующих технических требований на герметичность колонны, показали, что допустимый срок остановки газовой скважины на северных месторождениях составляет примерно три-четыре месяца, тогда как в скважинах, простаивающих более года, могут образовываться весьма мощные пробки. Образование гидратных отложений также весьма вероятно при освоении и исследовании газовых скважин северных месторождений.  [1]

Отложение гидратов окисей кальция и магния в асбестовых диафрагмах и изменение протекаемости последних при этом было рассмотрено выше.  [2]

Этот способ предупреждения отложений гидратов экономически не выгоден и применяется на промыслах крайне редко.  [3]

Методы борьбы с отложениями гидратов в стволе скважины и в газосборной сети промысла, работа системы подачи ингибиторов для предотвращения гидратообразования подробно рассмотрены в гл.  [4]

Для борьбы с отложениями гидратов в системе промысловых и магистральных газопроводов применяют те же способы, что при борьбе с ними в скважинах. С целью предупреждения образования гидратов предусмотрено введение ингибиторов коррозии и теплоизоляция промысловых коммуникаций.  [6]

Для борьбы с отложениями гидратов на стенках труб применяются два метода: предупреждение их образования и устранение образовавшихся гидратов.  [7]

Для борьбы с отложениями гидратов в промысловых и магистральных газопроводах применяют те же способы, что и на скважинах.  [8]

Способ очистки газопроводов от отложений гидратов предложен группой изобретателей из ЮжНИИгипрогаза и Донецкого государственного университета. Способ заключается в том, что направляемые в газопровод сверхвысокочастотные электромагнитные волны распространяются по трубопроводу, как по волноводу, и, затухая в гидратах, нагревают и разрушают их.  [10]

Если в случае появления отложения гидратов на стенках трубопровода может возникнуть задача об учете сужения поперечного сечения однофазного потока, то в случае выпадения жидкого конденсата мы сталкиваемся с новым классом явлений - движением двухфазных ( газожидкостных) систем. В таких случаях на характер движения и гидравлические сопротивления большое влияние оказывает профиль трассы трубопровода. Это объясняется накоплением жидкости в пониженных местах, а также образованием газовых подушек в повышенных местах по трассе трубопровода. В определенных условиях возможен вынос скоплений газа и жидкости, соответственно, из нисходящих и восходящих участков трассы. В некоторых случаях в трубопроводе развиваются колебательные движения.  [11]

Газопровод, частично закупоренный отложениями гидратов углеводородов.  [12]

Начавшееся пар-финоотложение часто инициирует и ускоряет процесс отложения гидратов с образованием в итоге сложных по структуре и составу пробок. Дополнительные особенности возникают для газлифтных скважин, связанные с резким дросселированием газа через пусковые отверстия в муфтах НКТ, использованием недостаточно осушенного газа и другими технологическими факторами.  [13]

Лабораторные исследов шия влияния поверхности труб на образование и отложение гидратов / / Газовое дело.  [14]

Наиболее простой и вполне традиционный способ контроля за наличием отложений гидратов на заданном технологическом участке ( например, в шлейфах или в теплообменниках установки НТС) - это контроль за перепадом давления на рассматриваемом участке. Др, может быть сделан вывод о нарастании гидравлического сопротивления технологического участка за счет процесса отложения гидратов на стенках труб и аппаратов. В качестве датчика перепада давления в аппаратах следует использовать дифференциальный манометр.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru