СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ В СИСТЕМЕ СБОРА ГАЗА ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Российский патент 2022 года по МПК F17D3/12 E21B43/00 

Изобретение относится к области газодобычи, а именно к способам предотвращения гидратообразования в процессе сбора и транспортировки газа на газоконденсатных месторождениях.

В процессе добычи газа и газового конденсата существует проблема гидратообразования. Газовые гидраты представляют собой твердые кристаллические соединения с полостями, заполненными газом. Газовые гидраты могут образоваться на протяжении всей технологической цепи добычи и подготовки газа от забоя скважины до узла подачи в газотранспортную сеть. Наиболее часто гидратные отложения образуются в газосборных коллекторах ввиду значительной, до нескольких десятков километров, протяженности, а также повышенного содержания воды в составе природного газа.

Работа промысловой и газотранспортной системы в условиях гидратообразования может привести к риску возникновения отложений кристаллогидратов природного газа, из-за чего может нарушиться эксплуатационный режим промысловой установки подготовки газа. В худшем случае может произойти закупоривание трубопроводов, промыслового оборудования, блокирование трубопроводной арматуры. Поэтому формирование гидратов является существенной проблемой при обеспечении безопасной и эффективной работы системы сбора газа и ее отдельных элементов.

Общепринятым решением данной проблемы является полное предотвращение процесса гидратообразования. Существуют различные способы предотвращения данного процесса, однако наиболее эффективным и надежным способом остается ингибирование термодинамическими ингибиторами, такими как метанол, которые при добавлении позволяют снизить температуру начала гидратообразования природного газа.

На газовых и газоконденсатных месторождениях Крайнего Севера России используется практически только метанол по следующим причинам:

относительно низкая стоимость и широкая промышленная база;

высокая технологичность процесса ввода и распределения метанола;

наивысшая антигидратная активность, сохраняющаяся даже при низких температурах;

очень низкая температура замерзания растворов метанола и их малая вязкость;

сравнительно низкая растворимость метанола в нестабильном конденсате;

некоррозионность метанола и его водных растворов;

возможности использования технических сортов метанола;

наличие простых технологических схем регенерации отработанных растворов;

проработанность вопросов утилизации и захоронения промстоков, содержащих метанол;

высокая эффективность ликвидации несплошных гидратных пробок.

Несмотря на значительный опыт предотвращения гидратообразования в практике промысловой подготовки газа остаются нерешенные проблемы. На практике фактический расход метанола на газодобывающих предприятиях часто завышен из-за нерационального использования.

Способ автоматизированного распределения метанола в АСУ ТП установок подготовки газа ПАО «Газпром» основан на принципе, заключающемся в определении такого количества метанола, при вводе которого в трубопровод в потоке будет достигнута концентрация, достаточная для безгидратного режима. (ВРД 39-1.13-051-2001 «Инструкция по нормированию расхода и расчету выбросов метанола для объектов ОАО «Газпром») - прототип. Расход рассчитывается по следующим формулам:

Оптимальный расход метанола определяют по формуле:

где:

q_мет - расход метанола, кг/час

Q - расход газа в газосборном коллекторе при стандартных условиях, тыс.м³/час;

G_пл.в - удельный расход пластовой воды, г/ст.м³;

W_ycт, W_УКПГ - влагосодержание газа на устье скважины и на входе в УКПГ соответственно (определяются согласно ВРД 39-1.13-051-2001), г/ст.м³;

X - концентрация ингибитора гидратообразования (как правило 95%), % масс;

G, М - концентрация метанола в газовой и жидкой углеводородных фазах соответственно (определяются согласно ВРД 39-1.13-051-2001), г/м³.

Необходимую концентрацию метанола в защищаемой точке, достаточную для растворения гидратов, определяют по формуле:

где:

Т_гидр - температура гидратообразования (определяются согласно ВРД 39-1.13-051-2001), °С;

Т - температура газа в защищаемой точке, °С.

Рассчитанный расход метанола доводится до регулирующего устройства и безостановочно круглосуточно подается в защищаемый трубопровод.

Недостатком данного способа является высокий расход метанола в процессе защиты от гидратообразования и необходимость постоянной работы оборудования по подаче метанола в связи с тем, что методика не учитывает продолжительность образования гидратной пробки в трубопроводе.

Задачей настоящего изобретения является устранение данного недостатка. Технический результат заключается в снижении расхода метанола в процессе ингибирования гидратообразования в системе сбора газа газоконденсатных месторождений и возможности автоматизировать процесс управления подачей метанола с целью его минимизации на стандартных вычислительных мощностях газодобывающего предприятия.

Технический результат достигается следующим способом. Способ ингибирования гидратообразования газосборных систем газоконденсатных месторождений заключается в том, что в газосборную систему метанол подают периодически в течение времени, определяемого по формуле:

по прошествии которого подачу метанола отключают на время Т₀, определяемое по формуле:

где T₁ - время подачи метанола в газосборный шлейф с расходом q_мeт для достижения значения концентрации метанола с C_min до С_эфф, сек, Т₀ - время отключения подачи метанола при которой концентрация метанола снизится со значения С_эфф до C_min, сек, L - длина трубопровода, м, D - внутренний диаметр трубопровода, мм, Q - расход газа в газосборном коллекторе при стандартных условиях, тыс.м³/час, Z - коэффициент сверхсжимаемости, Р - давление газа в конце газосборного коллектора, МПа, Т - температура в конце газосборного коллектора, °С, С_эфф - концентрация метанола в пластовой смеси, достаточная для условий безгидратного режима, % масс, C_min - концентрация метанола в шлейфе, до которой допускают снижение концентрации при остановке подачи метанола (если неизвестна, принимается равной 0), % масс, α₁=0,661, β₁=0,00052, δ₁=1, α₀=0,687, β₀=0,00052, δ₀=1.

Процесс образования гидратной пробки не происходит мгновенно. В частности, время образования гидрата в «сыром» газе может занимать от минут до нескольких часов в зависимости от физических параметров потока. При этом сам по себе кристалл гидрата опасности не несет, так как может двигаться ведомый потоком газа. Опасность несут гидратные пробки, образующиеся из-за осаждения кристаллов на стенках трубопровода длительное время. Время образования «глухой» гидратной пробки может занимать от нескольких суток до месяца в зависимости от концентрации метанола в потоке. Согласно опыту эксплуатации Уренгойского газоконденсатного месторождения некоторые шлейфы протяженностью от 5 до 10 км могли эксплуатироваться в гидратном режиме около 28 суток до момента образования гидратной пробки.

Для профилактики гидратной пробки не обязательно поддерживать безгидратную концентрацию метанола в трубопроводе постоянной. Достаточно периодически достигать ее в защищаемой точке при помощи подачи метанола с определенным периодом времени. Несмотря на периодическую работу в гидратном режиме, образование гидратной пробки исключается, так как значение времени до «замерзания» значительно больше, чем время повторного достижения состояния «безгидратности» в защищаемой точке. С увеличением концентрации метанола время до гидратной пробки увеличивается вплоть до бесконечности при достижении необходимой концентрации. С понижением - время до пробки сокращается. Но и при «нулевой» концентрации образование пробки не произойдет мгновенно, а лишь по прошествии некоторого времени. Данная цикличность отображена на графике фиг. 1.

При помощи динамического моделирования движения газоконденсатного пластового газа по газосборному трубопроводу была выявлена зависимость изменения концентрации метанола в конце шлейфа от скорости газа (фиг. 2) в трубопроводе. На основании этой зависимости определены скорость увеличения концентрации метанола при подаче и скорость падения концентрации при отключении подачи в значимости от скорости газа. В результате были получены:

- формула (1), которая позволяет вычислить время, за которое при постоянной подаче метанола увеличится его концентрация в пластовом газе газосборного коллектора с минимального значения до необходимого для безгидратного режима;

- формула (2), которая позволяет вычислить время, за которое концентрация метанола снизится с оптимальной до допустимой при отсутствии подачи метанола,

Благодаря данным зависимостям осуществляют способ дозирования метанола в газосборные коллекторы скважин газоконденсатных месторождений.

До настоящего времени отсутствовал простой способ расчета, с помощью которого возможно было бы определить периодичность подачи ингибитора - метанола в газосборные коллекторы. Связано это с тем, что обычно для определения периодичности подачи ингибитора требуется многоитерационный расчет течения трехфазной пластовой смеси для трубопровода. Причем, результат будет зависеть не только от режима работы скважин, но и от профиля трубопровода. Способ расчета будет индивидуален для каждого трубопровода, а их в системе сбора газа может насчитываться несколько десятков. Автоматизированная система, которая сможет совершать эти расчеты в режиме реального времени, потребует больших вычислительных мощностей, что очень дорого. Производственному персоналу проще использовать старый подход, заключающийся в поддержании постоянной подачи метанола, чем устанавливать дорогостоящую вычислительную систему.

Предполагаемый способ решает эту проблему за счет того, что позволяет определять оптимальную периодичность в зависимости от режима скважины простым способом, без итерационных расчетов, и соответственно, делать это в автоматическом режиме. В результате, управление подачей метанола может быть осуществлено на стандартных вычислительных мощностях газодобывающего предприятия. При этом система в автоматизированном режиме может изменять периодичность подачи метанола в зависимости от режима скважины, то есть при изменении температуры, давления и расхода газа режим периодичность подачи метанола меняется в автоматизированном режиме.

Способ ингибирования гидратообразования газосборных систем газоконденсатных месторождений осуществляют следующим образом. Оптимальный расход метанола q_мет определяют по известной из прототипа формуле I.

Необходимую концентрацию метанола в защищаемой точке, достаточную для условий безгидратного режима С_эфф, определяют по известной из прототипа формуле II.

Далее, определяют время T₁, в течение которого подают метанол до достижения концентрации С_эфф с оптимальным расходом q_мет, по формуле:

где:

T₁ - время подачи метанола в газосборный шлейф с расходом q_мет для достижения значения концентрации метанола с C_min до C_max, сек;

L - длина трубопровода;

D - внутренний диаметр трубопровода, мм;

Р - давление газа в конце газосборного коллектора, МПа;

Т - температура в конце газосборного коллектора, °С;

Q - расход газа в газосборном коллекторе при стандартных условиях, тыс.м³/час;

Z - коэффициент сверхсжимаемости;

С_эфф - концентрация метанола в пластовой смеси, достаточная для условий безгидратного режима, % масс.;

C_min - концентрация метанола в шлейфе, до которой допускают снижение концентрации при остановке подачи метанола (если неизвестна принимается равной 0), % масс;

α₁=0,661, β₁=0,00052, δ₁=1

По прошествии времени T₁ подача метанола отключается на время Т₀, определяемое по формуле:

где:

Т₀ - время остановки подачи метанола в газосборный коллектор, сек; C_min - концентрация метанола, до которой допускается снизить концентрацию метанола в шлейфе при отключении подачи метанола, % масс. α₀=0,687, β₀=0,00052, δ₀=1

По прошествии времени Т₀ подачу метанола возобновляют с расходом q_мет на время T₁, определяемое по формуле (1). Далее, цикл повторяют.

Согласно представленному способу был определен расход метанола для газосборного коллектора куста газовых скважин 107 установки подготовки газа №102 Ковыктинского газоконденсатного месторождения. Протяженность газосборного коллектора L=7200 м, внутренний диаметр трубопровода D=159 мм. Расход газа Q=16,5 тыс.м³/час. Давление газа Р изменяется от 17,2 МПа, до 16,8 МПа по длине трубопровода. Температура Т - от 24°С до 14°С. Согласно способу, оптимальная концентрация метанола для безгидратного режима С_эфф=8,9% масс. Оптимальный расход метанола, при котором будет достигнута необходимая концентрация, составляет Qмeт=18,39 кг/час. Результаты расчета расхода метанола представлены в таблице 1.

Согласно расчету время подачи метанола T₁, за которое концентрация метанола в шлейфе увеличится с первоначальной концентрации 0% до 8,9% масс, составляет 2,75 часа. При отключении подачи метанола время Т₀, за которое концентрация снизится до значения C_min=4,5% масс. составляет 1,17 часа. Далее при включении подачи метанола концентрация увеличится до значения С_эфф=8,9% масс за время T₁=1,37 час. Далее метанол подается с данной периодичностью. Режим подачи метанола представлен на графике фиг. 3.

При обычном постоянном способе подаче метанола расход составит 441,3 кг/сут или 1,107 г/м³. При периодической подаче метанола согласно представленному Способу суточный расход метанола составит 261 кг/час или 0,656 г/м³, на 40% меньше по сравнению с Прототипом.

Изобретение относится к области газодобычи, а именно к способам предотвращения гидратообразования в процессе сбора и транспортировки газа на газоконденсатных месторождениях. Технический результат заключается в снижении расхода метанола в процессе ингибирования гидратообразования в системе сбора газа газоконденсатных месторождений и возможности автоматизировать процесс управления подачей метанола с целью его минимизации на стандартных вычислительных мощностях газодобывающего предприятия. Способ ингибирования гидратообразования газосборных систем газоконденсатных месторождений заключается в том, что в газосборную систему метанол подают периодически в течение времени T₁, по прошествии которого подачу метанола отключают на время Т₀. Время Т₁ подачи метанола в газосборный шлейф и время Т₀, по прошествии которого подачу метанола отключают, определяют по предложенным математическим выражениям. 3 ил., 1 табл.

Способ ингибирования гидратообразования газосборных систем газоконденсатных месторождений, заключающийся в том, что в газосборную систему метанол подают периодически в течение времени, определяемого по формуле:

по прошествии которого подачу метанола отключают на время Т₀, определяемое по формуле:

где Т₁ - время подачи метанола в газосборный шлейф с расходом q_мет для достижения значения концентрации метанола с C_min до С_эфф, сек;

Т₀ - время отключения подачи метанола, при котором концентрация метанола снизится со значения С_эфф до C_min, сек;

L - длина трубопровода, м;

D - внутренний диаметр трубопровода, мм;

Р - давление газа в конце газосборного коллектора, МПа;

Q - расход газа в газосборном коллекторе при стандартных условиях, тыс.м³/час;

Т - температура в конце газосборного коллектора, °С;

z - коэффициент сверхсжимаемости;

С_эфф - концентрация метанола в пластовой смеси, достаточная для условий безгидратного режима, мас.%;

C_min - концентрация метанола в шлейфе, до которой допускают снижение концентрации при остановке подачи метанола, мас.%;

α₁=0,661;

β₁=0,00052;

δ₁=1;

α₀=0,687;

β₀=0,00052;

δ₀=1.