Способ предотвращения образования газовых гидратов

Способ предотвращения образования газовых гидратов

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу предотвращения образования клатратных гидратов в текучей среде. Точнее, настоящее изобретение относится к способам предотвращения образования гидратных отложений в трубопроводах, используемых для транспортировки нефти или газа, обсадных трубах и т.п.

Газовые гидраты представляют собой кристаллические соединения нестехиометрического состава, существующие при определенных давлениях и температурах. В этих кристаллах углеводород (такой, как природный газ) захвачен в молекулярных подобных клетке структурах, образованных замерзшей водой. Несмотря на то, что молекулы воды и молекулы углеводородов не вступают в химическое взаимодействие друг с другом, молекулы углеводородов полностью окружены молекулами воды. В общем виде состав газовых гидратов описывается формулой M·n·H₂O, где М - молекула газа-гидратообразователя, n - число молекул воды, приходящихся на одну включенную молекулу газа, причем n - переменное число, зависящее от типа гидратообразователя, давления и температуры. Кроме метана, газовые гидраты образуют этан, пропан, CO₂, H₂S, благородные газы и т.д., но основным компонентом является именно метан.

При добыче и/или транспортировке углеводородов газовые гидраты могут образовывать пробки в трубопроводе и полностью или частично блокировать рабочее сечение скважин и трубопроводов. Для предотвращения образования и/или ликвидации образовавшихся гидратных пробок в потоках нефти или газа применяли разные меры. Такие меры включают поддержание внешних температуры и/или давления и введение антифриза, например метанола, этанола, пропанола или этиленгликоля.

Предупреждение образования гидратов методом подогрева газа заключается в том, что при сохранении давления в газопроводе температура газа поддерживается выше равновесной температуры образования гидратов. В условиях транспорта газа по магистральному газопроводу этот метод неприменим, так как связан с большими затратами энергии.

Предупреждение образования гидратов методом снижения давления заключается в том, что при сохранении температуры в газопроводе снижается давление ниже равновесного давления образования гидратов. Этот метод возможен и при ликвидации уже образовавшихся гидратов (см., например, авторское свидетельство СССР 1700207, кл. Е21В 37/00, 1991 г.). После снижения давления необходимо некоторое время для разложения гидратов. Очевидно, что этот метод пригоден только для ликвидации гидратных пробок при положительных температурах. Иначе гидратная пробка перейдет в ледяную. Поскольку минимальная температура газа в магистральных газопроводе близка к нулю, а равновесное давление при этом для природного газа находится в пределах 1,0-1,5 МПа, применение данного метода в магистральных газопроводах оказывается неэффективным. Из-за малых значений возникающих сдвиговых напряжений и высокой адгезии отложений недостатком данного способа удаления скважинных отложений является также его неудовлетворительная технологическая эффективность.

При введении антифриза для предотвращения образования гидратных пробок его необходимое количество составляет обычно между 10% и 30% по весу в расчете на количество воды, присутствующей в потоке нефти или газа. Таким образом, в день может быть необходимым несколько тысяч литров таких растворителей. К недостаткам такого метода относится также потенциальная токсичность растворителе и сложность полного извлечения растворителей из потока нефтепродукта или транспортируемого потока.

Наиболее близким к заявленному способу является один из новых способов предотвращения гидратных отложений (патент США 56251787), в соответствии с которым на текучую среду осуществляют электромагнитное воздействие определенной частоты, для чего в трубопровод или вблизи него помещают электромагнитный излучатель. В результате такого воздействия возникает вибрация и возбуждается колебательное движение молекул воды, препятствующее образованию водородных связей. За счет предотвращения или затруднения образования кристаллических решеток, способных захватывать углеводороды и образовывать гидраты, обеспечивается возможность предотвращения формирования газовых гидратов.

Однако описаный способ имеет ряд недостатков. Во-первых, воздействие электромагнитным излучением определенной частоты не нарушает упорядоченность дипольного момента соседних молекул воды. Следовательно, в принцие не исключается возможность локального образования кластеров молекул воды с однонаправленным дипольным моментом. При сносе такого кластера по потоку и его удалении от зоны воздействия возможно его преобразование в устойчивую гидратную структуру. Во-вторых, выбор частоты воздействия связывается с линейными размерами области потенциального формировани гидрата, что затруднительно для областей со сложной геометрией. В-третьих, авторы отмечают, что направление распространения электромагнитных волн должно составлять угол в 30-45 градусов с направлением потока. При технологической реализации таких условий могут возникать конструкции, увеличивающие гидродинамическое сопротивление канала тока жидкости.

Предлагаемый способ обеспечивает хаотизацию направлений дипольных моментов отдельных молекул. Разупорядочение дипольных моментов более выгодно с энергетической точки зрения, чем возбуждение достаточно высокоэнергетичных колебательных степеней свободы. Кроме того, многочастотное воздействие препятствует образованию микрокластеров, о которых говорилось выше. При реализации вышеуказанного метода не требуется выбора частоты, соответствующей размерам области потенциального формирования гидрата и, кроме того, геометрия расположения источника определяется только из соображений эффективной передачи энергии некореллированного электромагнитоного сигнала в определенную область, наиболее опасную с точки зрения гидратообразования.

Таким образом, технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в ускорении кинетических процессов разрушения кристаллической решетки гидратов с одновременным предотвращением образования кластеров молекул воды и обеспечением хаотизации направлений дипольных моментов отдельных молекул; при этом обеспечивается упрощение и повышение эффективности предотвращения формирования газовых гидратов.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе предотвращения образования газовых гидратов электромагнитное воздействие на текучую среду осуществляют генератором шумовых сигналов, обеспечивающим одновременное воздействие многочастотным широкополосным сигналом со сплошным спектром частот в диапазоне от 10 Гц до 1 ГГц.

Физический механизм, лежащий в основе предлагаемого способа, заключается в следующем. Известно, что вода демонстрирует структурное поведение благодаря своей способности образовывать водородные связи. В отличие от химически связанных, газовые гидраты представляют собой натуральные инклюзионные компоненты или клатратные структуры, в которых вода образует ячейки решетки, а газовые молекулы выступают в роли «гостей» внутри решетки, обеспечивая стабильность гидрата. Для того чтобы газовые молекулы выступали в качестве гостевых молекул, гидрат должен иметь соответствующую форму, размеры и быть гомополярным. В настоящее время известно более 100 компонентов, способных образовывать газовые гидраты. В свою очередь молекулы воды, которые образуют первичную кристаллическую структуру гидрата, обладают относительно большими дипольными моментами. В данном способе осуществляется воздействие на дипольный момент и, следовательно, на диссоциацию гидратов, путем приложения электромагнитных сигналов в широком диапазоне частот. Хорошо известно, что равновесные фазовые переходы первого порядка сильно зависят от температуры и давления. За счет многочастотного широкополосного электромагнитного воздействия со сплошным спектром частот обеспечиваются дополнительные некоррелированные флуктуации в самой системе, имитируя и увеличивая, таким образом, флуктуации равновесия, вызванные температурой. Это приводит к ускорению кинетических процессов разрушения кристаллической решетки гидрата и тем самым к повышению скорости перемещения границы между кристаллической и жидкостной фазами. В конечном итоге, данная технология приводит к более низкому потреблению энергии в течение всего процесса диссоциации.

Способ может быть реализован различными путями. Общий критерий таков: схема расположения электромагнитных излучателей должна обеспечивать максимальную плотность энергии шумового электромагнитного сигнала в проблемных с точки зрения образования гидратов областях.

В большинстве случаев в качестве излучателей могут выступать электропроводящие элементы трубопровода, обсадной колонны и т.д. Например, при образовании гидратов в области различных кранов генератор многочастотного электромагнитного сигнала может быть подключен непосредственно к металлическим конструкциям в районе области возможного формирования гидрата. Фактически в этом случае реализуется следующая схема: генератор через усилитель двумя проводами соединен с краном. Эти провода припаяны к металлическим элементам крана, и фактическим излучателем служит участок конструкции между припаянными концами проводов. Такой способ реализации применим не только для кранов, но и для других «проблемных» областей, окруженных металлическими конструкциями. Преимуществом такого способа является простота реализации (не требуется привлекать дополнительных излучателей, внедренных в конструкцию).

Возможно также встраивание излучателей в конструкцию трубопровода, обсадной колонны и т.д. В этом случае можно создавать направленное излучение, способствующее локализации энергии шумовых электромагнитных волн в потенциальных областях образования гидратов. Однако реализация подобных конструкций достаточно сложна.

Возможен ввод излучателя непосредственно в трубопровод при помощи передвижных устройств, применяемых, например, в нефтяной отрасли для очистки труб.

При протяженных областях гидратных формаций (например, на стенках гладкого трубопровода) также возможно использовать в качестве излучателей сами элементы конструкции или внедренные антенны.

В качестве излучателей многочастотного широкополосного электромагнитного излучения с широким диапазоном частот от 10 Гц до 1 ГГц могут быть использованы, например, генераторы шумов, производимые компанией Micronetics. Электромагнитное воздействие на текучую среду осуществляют одновременно в широком диапазоне частот.

Способ предотвращения образования газовых гидратов в текучей среде, предусматривающий осуществление электромагнитного воздействия на текучую среду, отличающийся тем, что электромагнитное воздействие осуществляют генератором шумовых сигналов, обеспечивающим одновременное воздействие многочастотным широкополосным сигналом со сплошным спектром частот в диапазоне от 10 Гц до 1 ГГц.