Влагосодержание и гидратообразование природных газов

Дисциплина «СКАЖИННАЯ ДОБЫЧА И ПОДЗЕМНОЕ ХРАНЕНИЕ ГАЗА» Лекция №6 ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ И ГИДРАТООБРАЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ Составил доцент, к.т.н., доцент кафедры «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»: Саранча Алексей Васильевич ТИУ (ТюмГНГУ) 1 Саранча А.В. После изучения материала данной лекции вы будете знать:  что такое абсолютная и относительная влажность;  что представляют собой гидраты природного газа и почему они образуются;  какие вещества являются гидратообразующими;  какие осуществляются мероприятия для предупреждения гидратообразования в стволе газовой скважины, в фонтанной арматуре и в обвязке скважин;  какие мероприятия проводят для ликвидации последствий образования гидратно-ледяных пробок в НКТ;  какие операции необходимо осуществлять при остановках скважин, в которых возможно образование гидратных пробок;  какие ингибиторы используют для предупреждения гидратообразования. ТИУ (ТюмГНГУ) 2 Саранча А.В. Влагосодержание природных газов Природный газ находясь в пластовых условиях насыщается парами воды, которая в коллекторе может присутствовать повсеместно (связанная, подошвенная или краевая). Влагосодержание газа зависит от давления, температуры и входящих в состав углеводородных и неуглеводородных компонентов. По мере движения газа в пласте к скважине, а потом и по ней до устья, движущийся поток попадает в область более низких давлений и температур. При понижении температуры происходит уменьшение количества водяных паров в природном газе, а со снижением давления, наоборот, увеличивается содержание влаги. Поэтому при снижении пластового давления в самой залежи в процессе разработки влагосодержание природного газа увеличивается. В практике чаще пользуются абсолютной влажностью, которая выражается через массу паров воды в единице объема газа, приведенного к нормальным физическим условиям (Т = 273 К и Р = 0,1 МПа). Абсолютную влажность W измеряют в г/м3 или кг на 1000 м3. [Вяхирев Р.И.. Коротаев Ю.П.. Кабанов Н.И. Теория и опыт добычи газа. - М. ОАО "Издательство "Недра", 1998. - 479 с.] ТИУ (ТюмГНГУ) 3 Саранча А.В. Влагосодержание природных газов Относительная влажность выраженная в процентах (или долях единицы) представляет собой отношение количества водяных паров, содержащихся в единице объема газовой смеси, к количеству водяных паров в том же объеме и при той же температуре и давлении при полном насыщении. Полное насыщение оценивается как 100%. Влагосодержание природного газа зависит от давления, температуры, состава газа, а также количества солей, растворенных в воде, контактирующей с газом. Влагосодержание природных газов определяют экспериментально, по аналитическим уравнениям или номограммам, составленным по экспериментальным данным или расчетным путем. [Вяхирев Р.И.. Коротаев Ю.П.. Кабанов Н.И. Теория и опыт добычи газа. - М. ОАО "Издательство "Недра", 1998. - 479 с.] ТИУ (ТюмГНГУ) 4 Саранча А.В. Влагосодержание природных газов Наличие углекислого газа и сероводорода в газах увеличивает их влагосодержание. Присутствие азота, наоборот, приводит к уменьшению влагосодержания. С увеличением плотности (или молекулярной массы газа) влагосодержание газа уменьшается. Наличие в пластовой воде растворимых солей уменьшает влагосодержание газа. [Вяхирев Р.И.. Коротаев Ю.П.. Кабанов Н.И. Теория и опыт добычи газа. - М. ОАО "Издательство "Недра", 1998. - 479 с.] ТИУ (ТюмГНГУ) 5 Саранча А.В. Влагосодержание природных газов Если содержание солей в пластовой воде превышает 5 %, а относительная плотность газа значительно выше 0.6, то вводятся соответствующие поправки на влажность, определяемые по диаграмме представленной на следующем слайде, а для расчета влажности подставляют их в следующую формулу: W=W0,6 ·Cc ·Cp , (6.1) где W0,6 – влагосодержание газа с относительной плотностью Δ = 0,6 и контактирующей с пресной водой; Сс - поправка на концентрацию солей в воде (соленосность воды); Ср - поправка на отклонение плотности данного газа от величины Δ = 0,6. [Вяхирев Р.И.. Коротаев Ю.П.. Кабанов Н.И. Теория и опыт добычи газа. - М. ОАО "Издательство "Недра", 1998. - 479 с.] ТИУ (ТюмГНГУ) 6 Саранча А.В. Номограмма для определения влагосодержания природного газа с относительной плотностью 0,6, не содержащего кислых примесей (Н2S и CO2) Поправка на отклонение плотности данного газа от величины Δ = 0,6 Поправка на концентрацию солей в воде (соленость воды) 0,62 г/м3 Упражнение 6.1. Рассчитать влагосодержание пластового газа по формуле 6.1, который находящегося в подземном резервуаре в контакте с рассолом, с концентрацией NaCl 312 кг/м3, при давлении Р = 10 МПа и температуре 303 К. Компонентный состав газовой смеси представлен в таблице. Объемная доля, % Молекуляр ная масса CH4 С2Н6 C3H8 С4Н10 С5H12+ СО2 N2 81,4 10 4 3 0,7 0,4 0,5 16,04 30,07 44,10 58,12 72,15 44,01 28,01 ТИУ (ТюмГНГУ) При Т = 303 К, Р=10 МПа, W 0,6=0,62 г/м3 7 Саранча А.В. НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ЗАДАЧИ № 6.1 График для определения поправки на концентрацию солей в воде (соленость воды) NaCl График для определения поправки на отклонение плотности данного газа от величины Δ = 0,6 ТИУ (ТюмГНГУ) 8 Саранча А.В. ГИДРАТООБРАЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ Природный газ, насыщенный парами воды, при высоком давлении и при определенной даже положительной температуре способен образовывать твердые соединения с водой, называемые гидратами. При разработке газовых и газоконденсатных месторождений Западной Сибири и в особенности Крайнего Севера, возникает проблема борьбы с образованием гидратов. Низкие пластовые температуры и суровые климатические условия этих районов создают благоприятные условия для образования гидратов не только в скважинах и газопроводах, но и в пластах, в результате чего образуются газогидратные залежи. Гидраты природных газов представляют собой неустойчивое физико-химическое соединение воды с углеводородами, которое с повышением температуры или понижением давления разлагается на газ и воду. По внешнему виду – это белая кристаллическая масса, похожая на лед или снег. ТИУ (ТюмГНГУ) 9 [Вяхирев Р.И.. Коротаев Ю.П.. Кабанов Н.И. Теория и опыт добычи газа. - М. ОАО "Издательство "Недра", 1998. - 479 с.] Саранча А.В. ГИДРАТООБРАЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ Физическая сущность образования гидратов заключается в том, что молекулы воды формируют геометрически правильные структуры из-за наличия водородной связи. Молекулы некоторых веществ или «гидратообразущие вещества» способны по своим размерам попадать внутрь кристаллического каркаса молекул воды и стабилизировать его, в результате образуется смесь в виде твердого осадка. Гидратообразующими веществами являются: метан, этан, пропан, и-бутан, а также сероводород, азот и углекислый газ. Из непредельных этилен (С2Н4) и пропилен (С3Н6). Углеводороды, начиная с пентана С5Н12 и выше гидратов не образуют. Справа на рисунке представлены термобарические кривые для основных гидратообразующих веществ по отдельности. Гидратообразующая область выше и левее от линии, а область безгидратного состояния ниже и правее линии. Четверная точка характеризуется условиями, при которых фазы вещества находятся в равновесном состоянии: жидкая водная, паровая, лед, гидрат. ТИУ (ТюмГНГУ) [Вяхирев Р.И.. Коротаев Ю.П.. Кабанов Н.И. Теория и опыт добычи газа. - М. ОАО "Издательство "Недра", 1998. - 479 с.] 10 Саранча А.В. ГИДРАТООБРАЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ На практике условия образования гидратов определяют с помощью равновесных графиков (рисунок справа) или расчетным путем – по константам равновесия. Чем выше плотность газа, состоящего из гидратообразующих веществ, тем больше температура гидрообразования. Если на увеличение плотности природного газа влияют негидратообразующие компоненты, то температура его гидратообразования понижается. ТИУ (ТюмГНГУ) Равновесные кривые образования гидратов природных газов различной относительной плотности ∆ в зависимости от Т и Р Область гидратообразования Область безгидратного состояния 11 [Вяхирев Р.И.. Коротаев Ю.П.. Кабанов Н.И. Теория и опыт добычи газа. - М. ОАО "Издательство "Недра", 1998. - 479 с.] Саранча А.В. ГИДРАТООБРАЗОВАНИЕ МЕТАНА В ПРИСУТСТВИИ ЭТАНА И ПРОПАНА Кривые образования гидратов Область гидратообразования Из представленных справа кривых образования гидратных смесей СН4 и С2Н6 или СН4 и С3Н8 следует, что при добавлении этана (С2Н6) и пропана (С3Н8) улучшаются условия образования гидратных смесей СН4, так как гидраты образуются при более низких давлениях и более высоких температурах. Также Область безгидратного состояния повышению температуры образования гидратов этих смесей с СН4 способствует изобутан, все остальные газы, Для смеси СН4 и С2Н6. включая нормальный бутан (n- Содержание этана (в %): С4Н10) и выше, действуют отрицательно. ТИУ (ТюмГНГУ) Для смеси СН4 и С3Н8. Содержание этана (в %): 12 [Вяхирев Р.И.. Коротаев Ю.П.. Кабанов Н.И. Теория и опыт добычи газа. - М. ОАО "Издательство "Недра", 1998. - 479 с.] Саранча А.В. ГИДРАТООБРАЗОВАНИЕ МЕТАНА В ПРИСУТСТВИИ СЕРОВОДОРОДА (СН4) И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА (СО2) Кривые образования гидратов В присутствии сероводорода температура гидратообразования углеводородных газов значительно повышается. Чем больше сероводорода в газе, тем выше равновесная температура и ниже равновесное давление гидратообразования углеводородного газа. Аналогичная ситуация наблюдается (в меньшей степени), для смеси метана и углекислого газа. Для смеси СН4 и Н2S. Содержание Н2S (в %): Для смеси СН4 и СО2. 1 – 1; 2 – 2; 3– 4; 4 – 6; 5 – 10; 6 – 20; Содержание СО2 (в %): 7 – 40; 8 – 60; 9 – 100. 1 – 12,5; 2 – 28; 3– 32; 4 – 60; 5 – 100. ТИУ (ТюмГНГУ) 13 [Вяхирев Р.И.. Коротаев Ю.П.. Кабанов Н.И. Теория и опыт добычи газа. - М. ОАО "Издательство "Недра", 1998. - 479 с.] Саранча А.В. ЗАДАНИЕ 6.1 – ОТВЕТЬТЕ НА СЛЕДУЮЩИЕ ВОПРОСЫ 1) Будет ли образовываться гидрат метана при температуре 15º и давлении 30 МПа? 2) Будет ли образовываться гидрат природной газовой смеси относительной плотностью 0,6 при температуре 15º и давлении 10 МПа? 3) Будет ли образовываться гидрат чистого этана при температуре 10º и давлении 0,5 МПа? 4) Будет ли образовываться гидрат чистого пропана при температуре 20º и давлении 10 МПа? 5) При какой температуре начинает образовываться гидрат в природной газовой смеси относительной плотностью 0,6, находящейся под давлением 10 МПа и какое будет влагосодержание в этой термобарической точке? ТюмГНГУ [Казарян В.А. Подземное хранение газов и жидкостей. – М.-Ижевск: 2006. 432 с.] Саранча А.В. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ХИМРЕАГЕНТОВ Для предупреждения гидратообразования применяются различные химреагенты. Эти вещества не препятствуют гидратообразованию, а только ингибирую этот процесс, то есть они способствуют уменьшению температуры или увеличению давления, при которых происходит образование гидрата. Одного лишь присутствия ингибитора недостаточно для того, чтобы предупредить образование гидрата. Процесс гидратообразования для природного газа в присутствии ингибитора все же возможен но для этого будут уже необходимы более высокие значения давление и более низкие температуры. В качестве ингибиторов гидратообразования в газовой промышленности Западной Сибири обычно используют спирты (в основном метанол), а также могут быть использованы и гликоли (в основном этиленгликоль или триэтиленгликоль). На рисунке справа, показаны расчетные значения ингибирующего воздействие метанола на образование гидрата природного газа сеноманских залежей ЯНАО. На графике нанесены кривые для массовых концентраций метанола 10, 20, 35, 50, 65, 73,7 и 85 %. Ингибирующее воздействие метанола на образование гидрата метана ТИУ (ТюмГНГУ) 15 [Кэрролл Джон / Гидраты природного газа. Перевод с английского. – М.: ЗАО «Премиум Инжениринг», 2007. -316 с] Саранча А.В. РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОГО КОЛИЧЕСТВА ИНГИБИТОРОВ ДЛЯ ПОНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ Допустим что гидратообразование природного газа сеноманской залежи какого-либо месторождения ЯНАО будет происходить при температуре 7 ºС и давлении 5 МПа. Требуется рассчитать необходимое количество метанола, что бы понизить температуру гидратообразования на 10 ºС. Для расчета будет использовано следующее уравнение: 100MT W , (6.2) К н  MT где ΔТ – понижение температуры, ºС; М – молекулярная масса ингибитора, г/моль; W – массовая концентрация ингибиторов в водной фазе, %; Кн – константа со значением 1297. Расчет для метанола: W  100  32,042 10 /(1297  (32,042 10))  19,8 масс.% Таким образом потребуется около 20 масс.% метанола. ЗАДАНИЕ 6.3 Рассчитать необходимое количество этиленгликоля, что бы понизить температуру гидратообразования на 10 ºС. Молекулярная масса этиленгликоля 62,07, г/моль. С учетом того, что стоимость этиленгликоля значительно превышает стоимость метанола, сделать вывод о его целесообразности или нецелесообразности использования для ингибирования вместо метанола. ТИУ (ТюмГНГУ) 16 [Кэрролл Джон / Гидраты природного газа. Перевод с английского. – М.: ЗАО «Премиум Инжениринг», 2007. -316 с] Саранча А.В. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ ПУТЕМ ОСУШКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА В содержание данного курса осушка газа не входит, поэтому по данному вопросу будет представлены только общие сведенья. Осушкой называется процесс удаления влаги из природного газа. Она широко применяется как способ предупреждения гидратообразования. Если в газе не содержится влаги, образование гидратов становится невозможным. Если влага содержится в очень малом количестве, вероятность образования гидрата будет мала. Существуют и другие причины, по которым природный газа подвергают осушке. Удаление водяного пара уменьшает опасность возникновение коррозии в газотранспортных трубопроводах. Кроме того, осушка газ позволяет повысить эффективность эксплуатации трубопроводных систем за счет уменьшения, или даже полного исключения, накопления жидкости в линейной части газопровода. Ну и в конце концов потребителю нужен осушенный газ, для использования его в быту. Существует несколько способов осушки природного газа. Наиболее широко применяемые следующие методы: 1) Абсорбционная осушка жидкими поглотителями; 2) Адсорбционная осушка твердыми поглотителями; 3) Низкотемпературная сепарация НТС – осушка охлаждением. ТИУ (ТюмГНГУ) 17 Саранча А.В. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ И БОРЬБЕ С ГИДРАТАМИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН Для предотвращения образования гидратов производится закачка в скважину ингибиторов гидратообразования (метанола, диэтиленгликоля, раствора хлористого кальция). На период пусковых работ подача ингибитора гидратообразования обеспечивается передвижной насосной установкой. По мере падения пластовых давления и температуры следует предусмотреть подачу ингибитора гидратообразования к устью скважины по метанолопроводам от УКПГ. Предупреждение гидpатообpазованиия в скважинах может осуществляться по нескольким направлениям:  выбор безгидpатного режима работы скважин, если пластовая температура и продуктивность достаточно высоки;  ингибирование процесса гидpатообpазования при постоянном или периодическом дозировании ингибитора гидpатообpазования через затpубное пространство к башмаку НКТ;  применение футерованных насосно-компрессорных труб;  систематическое удаление с забоя скапливающейся жидкости. ТИУ (ТюмГНГУ) [Проект разработки газоконденсатных залежей и нефтяных оторочек нижнемеловых отложений Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения на полное развитие, ТюменНИИгипрогаз, 2007] 18 Саранча А.В. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ И БОРЬБЕ С ГИДРАТАМИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН Предупреждение гидpатообpазованиия в фонтанной арматуре и в обвязке скважин можно осуществлять следующими методами:  вводом в поток газа метанола, диэтиленгликоля, раствора хлористого кальция;  обогревом отдельных узлов и участков;  устранением резких перепадов давления, которые вызывают снижение температуры газа в результате его дросселирования и т.д. ТИУ (ТюмГНГУ) [Проект разработки газоконденсатных залежей и нефтяных оторочек нижнемеловых отложений Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения на полное развитие, ТюменНИИгипрогаз, 2007] 19 Саранча А.В. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ И БОРЬБЕ С ГИДРАТАМИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН Ликвидацию последствий образования гидратно-ледяных пробок в НКТ рекомендуется проводить следующими способами:  продувкой в атмосферу, с необходимой предварительной выдержкой скважины в закрытом состоянии, для частичного разложения гидратов под влиянием тепла окружающих пород;  закачкой большого объема ингибитора гидpатообpазований непосредственно на гидратную пробку с выдержкой для разложения гидратной пробки и с последующей продувкой;  растеплением с помощью колтюбинговых установок, так, как это в настоящее время и проводится на месторождениях. ТИУ (ТюмГНГУ) [Проект разработки газоконденсатных залежей и нефтяных оторочек нижнемеловых отложений Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения на полное развитие, ТюменНИИгипрогаз, 2007] 20 Саранча А.В. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ И БОРЬБЕ С ГИДРАТАМИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН Образование гидратных пробок ускоряется при изменении технологического режима: снижении дебита, остановки скважины на продолжительное время. В интервале глубин 500-800 м обычно формируются парафиновые отложения, 200-500 м парафино-гидратные, 0-200 м - гидратные. При остановках скважин, в которых возможно образование гидратных пробок, необходимо осуществлять одну из следующих операций:  понижение уровня жидкости в лифтовых трубах посредством выпуска в линию газа из затрубного пространства;  закачка в трубы 300-500 л водного раствора СаСl2, плотность не менее 1.2 г/см3 с добавкой ПАВ;  закачка в НКТ половины их объема безводной нефти (не менее 1 м3). ТИУ (ТюмГНГУ) [Проект разработки газоконденсатных залежей и нефтяных оторочек нижнемеловых отложений Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения на полное развитие, ТюменНИИгипрогаз, 2007] 21 Саранча А.В. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Как влияет изменение термобарических условий на влагосодержание природных газов? 2. Что такое абсолютная и относительная влажность, в чем они измеряются? 3. Как влияет на влагосодержание природного газа наличие в нем таких углеводородных компонентов как, азот, сероводород и углекислый газ? 4. Что представляют собой гидраты природного газа? 5. Какие вещества являются гидратообразующими? 6. Как влияют гидратообразующие углеводородные и неуглеводородные компоненты входящие в состав природного газа на температуру гидратообразования? 7. Какие осуществляются мероприятия для предупреждения гидратообразования в стволе газовой скважины? 8. Какие осуществляются мероприятия для предупреждение гидpатообpазованиия в фонтанной арматуре и в обвязке скважин? 9. Какие мероприятия проводят для ликвидации последствий образования гидратно-ледяных пробок в НКТ? 10.Какие операции необходимо осуществлять при остановках скважин, в которых возможно образование гидратных пробок? 11.Какие ингибиторы используют для предупреждения гидратообразования? ТИУ (ТюмГНГУ) 22 Саранча А.В. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Коротаев Ю.П. Добыча, транспорт и подземное хранение газа / Коротаев Ю. П., Ширковский А.И. Учебник для вузов. – М.: Недра, 1984, 486 с. 2. Вяхирев Р.И.. Коротаев Ю.П.. Кабанов Н.И. Теория и опыт добычи газа. М. ОАО "Издательство "Недра", 1998. - 479 с. 3. Кэрролл Джон / Гидраты природного газа. Перевод с английского. – М.: ЗАО «Премиум Инжениринг», 2007. -316 с. 4. Проект разработки газоконденсатных залежей и нефтяных оторочек нижнемеловых отложений Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения на полное развитие, ТюменНИИгипрогаз, 2007 ТИУ (ТюмГНГУ) Саранча А.В.