1. Утворення газогідратів у трубопроводах та нафтогазовому обладнанні
У процесі видобування, підготовки та транспортування природного газу, за наявністю певних умов, компоненти природного газу та домішки, що містять ся в ньому (нап ик ад волога), можуть переходити в рідкий та (або) твердий стан, а також утворювати досить стабільні в даних умовах тверді хімічні спо луки – газові кристалогідрати, або кригу. Можливість існування крис талічних з’єднань компонентів природного газу з водою в свердловинах, га зоп роводах, іншому нафтогазовому обладнанні призводить до дуже небажаних технічних і технологічних наслідків. Виникаючи у внутрішніх по рож нинах газового обладнання, ці утворення можуть ускладнити і навіть виключити можливість руху природного газу, що, в свою чергу, призводить до аварійних ситуацій та виходу з ладу технологічного обладнання. Для прогнозування термодинамічних умов за яких існує можливість утворення рідкої або твердої фази, в яку перейдуть компоненти природного газу, використовують складні розрахунки, приймаючи за основу температуру точки роси природного газу вологи. Знан я умов утворен я та руйнування кристалогідратів природного газу має дуже велике значення.
Гідрати вуглеводневих газів являють собою білі кристали, схожі на лід або щільний сніг залежно від умов їхнього утворення, що зумовлені складом га зу, тиском, температурою, повним насиченням газу парами води. Додаткові умови, що визначають швидкість нагромадження гідратів: наявність води в газовому потоці, турбулентність і переохолодження газового потоку.
До теперішнього часу визначення рівноважних умов утворення гідратів здійснювалось переважно завдяки проведенню складних розрахунків, або мо делюванню термодинамічних процесів із застосуванням лабораторних уста новок. Але всі ці методи мають ряд принципових недоліків, яких можна позбутись завдяки використанню окремого засобу вимірювання із застосу ванням його в реальних умовах на газових підприємствах.
Вивченню рівноважних умов гідратоутворення присвячена низка аналітич них і експериментальних робіт, в результаті яких були отримані дані стосовно умов утворення гідратів окремих компонентів вуглеводневих газів і їх сумішей у залежності від тиску, температури, складу і т. і.
Гідрати, як моногазів, так і їх сумішей, до яких належать природні гази, є та кими з’єднаннями, що не дотримують закону сталості складу, згідно якого кожне хімічне з’єднан ня має пев ний і постійний склад, що не за ле жить від спо со бу ут ворення, тому кількість молей води на один моль гідратоутворюючого газу не постійна, а змінюється в залежності від умов протікання процесу і низки інших фак торів.
На практиці рівноважні умови гідратоутворення природних газів визначають
наступними способами:
– за графіками рівноважних умов існування гідратів природних газів різної густини;
– за емпіричними формулами для газів певного складу;
– за константами рівноваги;
– безпосереднім визначенням на лабораторних установках.
2. Місця утворення гідратів
Знати місця можливого гидратообразования дуже важливо для своєчасного їх попередження. Для правильного визначення місця утворення гідратів необхідно знати склад газу, його щільність, зміни тиску і температури і вологість газу.
Знаючи вологість і склад газу, що подається, а також залежність цих параметрів від тиску і температури, можна визначити час почала утворення гідратів, місце і швидкість накопичення їх в газопроводі.
Якщо точка роси лежить вище за рівноважну криву гідратоутворення, гідрати утворюються в точці перетину лінії зміни температури в газопроводі з кривої рівноважної температури гідратоутворення. Якщо точка роси лежить нижче за рівноважну криву, але вище за мінімум температурної кривої в газопроводі, гідрати утворюються в точці роси. В умовах, коли точка роси лежить нижче за рівноважну криву гідратоутворення і нижче за криву зміни температури в газопроводі, гідратоутворення неможливе.
За наявності умов гідратоутворення на даній ділянці газопроводу пробка гідрата швидко наростає у міру надходження води і гідратоутворювача. При цьому пари води виділяються з газу, що знижує їх пружність на певну величину і прискорює процес утворення локальної пробки гідрата.
Середня об'ємна швидкість накопичення гідратів за час t може бути визначена по формулі:
G = Q(Wн-Wк)/, ( 2.1 )
де Q - витрата газу в тис. м3; Wн - вологовміст газу в рівноважній точці гідратоутворення в г/м3, Wк - вологовміст газу після утворення гідратів в г/м3; - питомий об'єм гідратів в м3/кг; - час утворення гідратів в год.
У газопроводі можуть утворюватися одна або декілька пробок гідратів.
В результаті утворення гідратів в газопроводі влагосодержание газового потоку над гідратами знижується відповідно зниженню пружності пари води, що знаходиться в рівновазі з рідкою фазою і твердим гідратом. Якщо в результаті утворення першої пробки гідрата точка роси пари води знижується нижче за мінімум кривої зміни температури газу в газопроводі, то наступна пробка гідрата може і не утворитися. Якщо в результаті утворення пробки гідрата за рахунок різниці упругостей пари води над рідкою водою і над гідратами точка роси не знижується нижче за мінімальну температуру в газопроводі, то утворюється наступна пробка гідрата - в точці перетину лінії влагосодержания з кривій зміни температури в газопроводі.
Гідрати утворюються в наступних місцях:
1. На штуцерах безпосередньо після редукування газу при тиску приблизно 6,5 Мпа і температурі нижче 17 °С.
2. У обв'язуванні, до сепараторів (при інтенсивній тепловіддачі від газового потоку до грунту).
3. У сепараторах (швидкість потоку на вхідних патрубках циклонних сепараторів досягає 120 м/с; тиск в сепараторах значно перевищує рівноважний тиск гидратообразования). Частина гідратів потоком прямує у відстійну ємність. Тут вони ущільнюються і частково або повністю закупорюють ємкість, що призводить до різкого зниження ефективності роботи сепараторів.
4. На діафрагмі ділянки виміру. У застійних зонах до і після діафрагми скупчуються ті, що раніше утворюються і переносимі потоком газу гідрати. Кільце гідрата рівномірної товщини з незначними кутами скосів виявляли при розтині камер ділянки виміру.
5. У шлейфах - газопроводах, що підключають свердловини до промислового газозбірного колектора. Скупчення гідратів спостерігається в безпосередній близькості від діафрагми ділянки виміру - в місцях відгалужень (врізані свічки, шлейфи). Гідрати в шлейфах утворюються також на зворотних клапанах, в місцях установки засувок, кранів і кишень для вимірювання температури.
6. У промисловому газозбірному колекторі в місцях різкої зміни швидкості газового потоку. Скупчення їх спостерігається в місцях врізань шлейфів свердловин в газозбірний колектор, на замочній арматурі і так далі Гідрати можуть також скупчуватися і на прямолінійних ділянках газопроводів. Залежно від швидкості потоку гідрати відкладаються в газопроводі у вигляді спірального кільця або у вигляді сегменту . Гідрати нагромаджуються також і в об'ємних сепараторах.
7. На кінцевих лінійних кранах. Під тиском газозбірній мережі мастило ущільнювача на пробках кранів і байпасов видавлюється, утворюються пропуски газу з різким пониженням температури останнього. Корпус крана або байпас різко охолоджується і утворюється застійна зона зниженої температури. Пари води, що насичують газ, конденсуються, і починається процес кристалізації гідратів. Поступове накопичення їх приводить до повної закупорки перетину крана або обвідного байпаса.
Рисунок 2.1 - Схема накопичення гідратів на діафрагмі виміру
1 - газопровід; 2 - гідрати; 3 - імпульсні трубки; 4 – діафрагма
Рисунок 2.2 - Схема заповнення гідратами горизонтальної труби
1 - газопровід; 2 - гідрати
Для правильного визначення місця утворення гідратів і швидкості їх накопичення в газопроводі необхідно знати склад, температуру, тиск і вологість газу, а також їх зміну по трасі. Це дозволяє своєчасно прийняти належні заходи.
При відомому тиску в газопроводі по складу газу визначається рівноважна температура гидратообразования tр. Потім визначається місце утворення гідратів в газопроводі за допомогою рівняння:
=1/a*ln{( tн - t0 + I /a) / ( tр - t0 + I /a )}, (2.2)
де - відстань від місця газопроводу з температурою tg до місця утворення гідратів, м; tн - початкова температура газу °С; t0 - температура грунту на рівні газопроводу °C; tр - рівноважна температура утворення гідратів °С; I - середній ефект Джоуля - Томсона, віднесений до одиниці довжини газопроводу °С/м.
Ефект Джоуля - Томсона полягає в наступному. В укладеній в адіабатну оболонку трубці поміщена пробка з вати. По одну сторону пробки знаходиться газ при тиску p1, по іншу сторону пробки тиск менше і рівне р2. Завдяки різниці тиску газ поволі перетікатиме через пробку з однієї частини трубки в іншу. Помістивши термометри або термопари по обидві сторони пробки, можна визначити знак зміни температури газу в досвіді Джоуля - Томсона. Виявилось, що більшість газів при кімнатній температурі охолоджуються, лише водень і гелій дають підвищення температури.