Способ диссоциации гидрата Российский патент 2024 года по МПК E21B37/06 E21B43/27 C09K8/52 F17D3/12 

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности, в частности, к способам диссоциации гидратов путем воздействия на них химических реагентов. Оно может быть использовано при ликвидации техногенных гидратов в системах добычи, сбора, подготовки, транспорта и переработки углеводородов, а также при добыче газа из природных гидратов.

Известен способ ликвидации гидрата путем диссоциации от воздействия реагента, состоящего из одного или нескольких антигидратных компонентов, и включающий подачу реагента на контакт с гидратом. (Истомин В.А., Квон В.Г. Предупреждение и ликвидация газовых гидратов в системах добычи газа. - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004. С. 424, 432, 433).

Общим признаком известного и предлагаемого способов является подача реагента, состоящего из одного или нескольких антигидратных компонентов, на контакт с гидратом.

К недостаткам известного способа необходимо отнести использование раствора реагента в количестве, определяемом путем экспертных оценок, что обычно приводит к повышенным расходам реагента (зачастую дорогостоящего) и негативным последствиям: увеличение его потерь и повышенным затратам энергии на регенерацию, что обуславливает повышение эксплуатационных расходов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ диссоциации гидратов от воздействия водных растворов различных химических реагентов (Справочник по транспорту горючих газов. Под редакцией К.С. Зарембо. М. Гостоптехиздат, 1962. С. 29-30, фиг. 12, 13). В способе представлены термобарические условия разложения гидратов от действия 10 %-ных водных растворов аммиака, этилового спирта, хлористого кальция, нормального пропилового спирта, ацетона, а метанола - до 25%.

Общими признаками известного и предлагаемого способов является определение термобарических параметров среды, окружающей гидрат, и подачу реагента на контакт с ним.

К недостаткам известного способа необходимо отнести использование водного раствора химического реагента в узком диапазоне его концентрации и в количестве, определяемом путем экспертных оценок, что обычно приводит к повышенным расходам реагента и ряду негативных последствий:

- повышенным затратам энергии при его регенерации и/или утилизации в специальных установках, для чего обычно затрачивается большое количество энергии (тепловой и электрической), что увеличивает эксплуатационные затраты;

- применение повышенного количества реагентов (зачастую дорогостоящих) обуславливает увеличение их потерь и, следовательно, повышение эксплуатационных затрат на компенсацию потерь;

- проведение процессов ликвидации гидратов с повышенным количеством химических реагентов и их потери требуют постоянного пополнения используемых реагентов, поэтому необходимо иметь объемные специально оборудованные хранилища, обслуживаемых и охраняемых персоналом, что увеличивает эксплуатационные затраты в целом.

Задачей изобретения является повышение эффективности диссоциации гидратов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является оптимизация расхода реагента.

Технический результат достигается тем, что в способе диссоциации гидрата путем воздействия на него реагента, состоящего из одного или нескольких антигидратных компонентов, включающий определение термобарических параметров среды, окружающей гидрат, и подачу реагента на контакт с ним, новым является то, что дополнительно определяют:

- концентрацию и температуру реагента перед его подачей,

- температуру декристаллизации гидратной решетки,

- температуру замерзания водного раствора реагента, полученного в результате процесса диссоциации гидрата,

после чего реагент подают с расходом, обеспечивающим необходимую скорость диссоциации гидрата, рассчитываемую по формуле

где:

- W - скорость разложения гидрата, кг/с;

- L - расход исходного реагента, кг/с;

- X - массовая доля антигидратных компонентов в реагенте;

- С - теплоемкость реагента, Дж/(кг·К);

- Т_дг - температура декристаллизации гидратной решетки, К;

- Т_зр - температура замерзания водного раствора реагента, полученного в результате процесса диссоциации гидрата, К;

- Т_р - температура подаваемого реагента, К;

- Т_г - температура среды, окружающей гидрат, К;

- Н - удельная энергия диссоциации гидрата, Дж/кг.

Кроме того, величину температуры декристаллизации гидратной решетки определяют по формуле

где

- T_дг - температура декристаллизации гидратной решетки, К;

- P - давление среды, окружающей гидрат, МПа.

Кроме того, величину температуры замерзания разбавленного водного раствора однокомпонентного реагента определяют по формуле:

,

где

- Т_зр - температура замерзания разбавленного водного раствора однокомпонентного реагента, К;

- ω - массовая доля воды, выделившаяся из гидрата в процессе его диссоциации, определяемая опытным путем;

- a, b, d - коэффициенты, определяемые для однокомпонентных реагентов опытным путем.

Кроме того, величины массовой доли содержания воды в гидратах из природных газов определены в пределах 0,86 - 0,94, причем ее значение увеличивается с уменьшением содержания метана в составах газов от 99 до 50 % масс.

Кроме того, численные значения коэффициентов a, b, d определены для однокомпонентных реагентов следующих классов химических соединений

Наименование реагента Коэффициенты a b d Спирты метанол -0,0139 -0,4015 271,89 этанол -0,0010 -0,7026 275,93 пропанол 0,0029 -0,6380 274,40 этиленгликоль -0,1610 0,1144 270,20 диэтиленгликоль -0,0132 0,1314 271,73 триэтиленгликоль -0,0101 0,0741 272,16 пропиленгликоль -0,0153 0,1651 269,72 глицерин -0,0117 0,1474 270,78 Соли хлорид лития -0,1131 0,1979 270,55 хлорид магния -0,0840 0,1646 271,84 хлорид натрия -0,0213 -0,4524 272,86 хлорид кальция -0,1083 2,0226 258,88 нитрат кальция -0,0103 -0,1629 272,86 перманганат кальция -0,0296 0,4835 269,16 Кислоты азотная кислота -0,0333 -0,1439 271,75 серная кислота -0,0618 0,5086 269,68 соляная кислота -0,1480 0,5750 269,69 уксусная кислота -0,0015 -0,3192 273,29 Соединения азота аммиак -0,0938 0,2837 268,27 моноэтаноламин -0,0480 1,2240 262,47 диэтаноламин -0,0154 0,3064 269,65 триэтаноламин -0,0159 0,5054 268,65 Соединения кислорода гидрооксид калия -0,0671 0,2591 270,26 гидрооксид натрия -0,0498 -0,4632 272,43 пероксид водорода -0,0088 -0,6531 274,14 формальдегид -0,0030 -0,5701 273,12

Кроме того, величину температуры замерзания разбавленного водного раствора многокомпонентного реагента определяют по формуле:

где

- Y_i, T_зрi массовая доля и температура замерзания [К] i-го разбавленного водного раствора однокомпонентного реагента.

Технический прием, заключающийся в том, что дополнительно определяют:

- концентрации и температуры реагента перед его подачей,

- температуры декристаллизации гидратной решетки,

- температуры замерзания водного раствора реагента, полученного в результате процесса диссоциации гидрата,

позволяет учесть химические и термические параметры реагента и гидрата и оптимально воздействовать на процесс диссоциации последнего, и, тем самым, повысить его эффективность.

Технический прием, заключающийся в том, что подают реагент с расходом, обеспечивающим необходимую скорость диссоциации гидрата, рассчитываемую по формуле

позволяет обеспечить диссоциацию гидрата с оптимальными расходом реагента и содержанием (концентрацией) в нем антигидратных компонентов, как следствие, с максимальной эффективностью. Формула объективно отражает процесс диссоциации гидрата. В числителе в квадратных скобках первое слагаемое отражает химическое воздействие реагента на гидрат, второе слагаемое учитывает теплоту реагента. Числитель соотношения является полным удельным количеством энергии реагента, воздействующей на гидрат, в единицу времени. Знаменатель является удельной энергией, необходимой для диссоциации гидрата.

Таким образом, формула объективно показывает скорость диссоциации гидрата. Поэтому она может быть использована в расчетах, необходимых для определения времени ликвидации гидратов в промышленности и принятия инженерных решений по поддержанию или изменению параметров процесса их диссоциации. Ее применение позволяет рассчитывать оптимальные расходы реагентов с требуемыми концентрациями, что снижает эксплуатационные затраты.

Технический прием, заключающийся в том, что величину температуры декристаллизации гидратной решетки определяют по формуле:

,

позволяет рассчитать температуру декристаллизации гидратной решетки в зависимости от давления среды, окружающей гидрат и повысить точность определения химического воздействия реагента на гидрат, что способствует оптимизации расхода реагента.

Технический прием, заключающийся в том, что величину температуры замерзания разбавленного водного раствора однокомпонентного реагента определяют по формуле:

,

позволяет точно определить температуру замерзания водного раствора реагента, полученного в процессе диссоциации гидрата. Формула объективно отражает зависимость температуры замерзания разбавленного водного раствора однокомпонентного реагента в зависимости от концентрации антигидратного компонента в реагенте, массовой доли воды, содержащейся в гидрате и типа реагента, учитываемого опытными коэффициентами. Использование этой формулы позволяет по величине температуры замерзания выбрать оптимальный тип и расход реагента.

Технический прием, заключающийся в том, что величины массовой доли содержания воды в гидратах из природных газов определены в пределах 0,86 - 0,94 при соответствующем содержании метана от 99 до 50 % масс. в составе газа, выделяющегося из гидрата, позволяет упрощенно рассчитывать значение температуры замерзания водного раствора реагента, что, в конечном итоге, способствует оптимизации его расхода.

Технический прием, заключающийся в том, что численные значения коэффициентов a, b, d определены для спиртов, солей, кислот, щелочей, соединений азота и кислорода, позволяет рассчитывать температуру замерзания для 26 наименований однокомпонентных реагентов, наиболее применяемых на практике.

Технический прием, заключающийся в том, что величину температуры замерзания разбавленного водного раствора многокомпонентного реагента определяют по формуле:

позволяет составлять комплексные реагенты из нескольких компонентов, которые совместно усиливают антигидратные свойства реагента и изменяют его физико-химические свойства в качественно лучшую сторону для применения в производственных условиях, что в конечном итоге, способствует оптимизации расхода многокомпонентного реагента.

Авторам неизвестно из существующего уровня техники повышение эффективности диссоциации гидратов подобным образом.

Реализация способа иллюстрируется примерами.

ПРИМЕР 1

При ликвидации техногенных гидратов при давлении P = 10,0 МПа и температуре 263 К в системе сбора скважинной продукции на месторождении природного газа, содержащего 95 % метана, их подвергают диссоциации путем воздействия на них подаваемого реагента, содержащего один антигидратный компонент, выбираемый из спиртов (см. приведенную выше таблицу классов химических соединений), например, 60 % масс. водный раствор метанола с температурой 293 К. Удельная энергия диссоциации данного гидрата H = 3268 кДж/кг.

Дополнительно определяют

- температуру декристаллизации гидратной решетки:

;

- температуру замерзания водного раствора реагента, полученного в результате процесса диссоциации гидрата, в котором массовая доля воды ω = 0,87, выделившаяся из гидрата в процессе его диссоциации:

.

Реагент подают в систему сбора в диспергированном состоянии с расходом L = 1 кг/с, обеспечивающим необходимую скорость диссоциации гидрата, рассчитываемую по формуле:

Аналогично рассчитывается скорость диссоциации гидратов от воздействия на них реагентов различных классов химических соединений (спиртов, солей, кислот, соединений азота и кислорода), представленных выше в таблице.

ПРИМЕР 2

При ликвидации техногенных гидратов при давлении P = 8,0 МПа и температуре 253 К в системе сбора скважинной продукции на месторождении природного газа, содержащего 90 % метана, их подвергают диссоциации путем воздействия на них подаваемого реагента, содержащего два антигидратных компонента, выбираемых из таблицы, 50 % масс. водный раствор этиленгликоля и 20 % масс. гидроксида натрия с температурой 293 К. Удельная энергия диссоциации данного гидрата H = 3467 кДж/кг.

Дополнительно определяют

- температуру декристаллизации гидратной решетки:

- температуру замерзания водного раствора реагента, полученного в результате процесса диссоциации гидрата, в котором массовая доля воды ω = 0,89, выделившаяся из гидрата в процессе его диссоциации:

где Y_i, T_зрi - массовая доля и температура замерзания [К] i-го разбавленного водного раствора однокомпонентного реагента.

Реагент подают в систему сбора в диспергированном состоянии, которое обеспечивает равномерное распределение реагента по поверхности гидрата, которое учитывается коэффициентом K_T = 0,85. Реагент подают с расходом L = 0,8 кг/с, обеспечивающим необходимую скорость диссоциации гидрата, рассчитываемую по формуле:

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при ликвидации техногенных гидратов в системах добычи, сбора, подготовки, транспорта и переработки углеводородов, а также при добыче газа из природных гидратов. Технический результат - расход реагента. Способ диссоциации гидрата путем воздействия на него реагента, состоящего из одного или нескольких антигидратных компонентов, включает определение термобарических параметров среды, окружающей гидрат, и подачу реагента на контакт с ним. Дополнительно определяют: концентрацию и температуру реагента перед его подачей, температуру декристаллизации гидратной решетки, температуру замерзания водного раствора реагента, полученного в результате процесса диссоциации гидрата, после чего реагент подают с расходом, обеспечивающим необходимую скорость диссоциации гидрата, рассчитываемую по формуле где W - скорость разложения гидрата, кг/с; L - расход исходного реагента, кг/с; X - массовая доля антигидратных компонентов в реагенте; С - теплоемкость реагента, Дж/(кг⋅К); Т_дг - температура декристаллизации гидратной решетки, К; Т_зр - температура замерзания водного раствора реагента, полученного в результате процесса диссоциации гидрата, К; Т_г - температура среды, окружающей гидрат, К; Н - удельная энергия диссоциации гидрата, Дж/кг. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 пр.

1. Способ диссоциации гидрата путем воздействия на него реагента, состоящего из одного или нескольких антигидратных компонентов, включающий определение термобарических параметров среды, окружающей гидрат, и подачу реагента на контакт с ним, отличающийся тем, что дополнительно определяют:

- концентрацию и температуру реагента перед его подачей,

- температуру декристаллизации гидратной решетки,

- температуру замерзания водного раствора реагента, полученного в результате процесса диссоциации гидрата,

после чего реагент подают с расходом, обеспечивающим необходимую скорость диссоциации гидрата, рассчитываемую по формуле

где:

W - скорость разложения гидрата, кг/с;

L - расход исходного реагента, кг/с;

X - массовая доля антигидратных компонентов в реагенте;

С - теплоемкость реагента, Дж/(кг⋅К);

Т_дг - температура декристаллизации гидратной решетки, К;

Т_зр - температура замерзания водного раствора реагента, полученного в результате процесса диссоциации гидрата, К;

Т_р - температура подаваемого реагента, К;

Т_г - температура среды, окружающей гидрат, К;

Н - удельная энергия диссоциации гидрата, Дж/кг,

при этом величину температуры декристаллизации гидратной решетки определяют по формуле

где

T_дг - температура декристаллизации гидратной решетки, К;

P - давление среды, окружающей гидрат, МПа,

при этом величину температуры замерзания разбавленного водного раствора однокомпонентного реагента определяют по формуле:

,

где

Т_зр - температура замерзания разбавленного водного раствора однокомпонентного реагента, К;

ω - массовая доля воды, выделившейся из гидрата в процессе его диссоциации, определяемая опытным путем;

a, b, d - коэффициенты, определяемые для однокомпонентных реагентов опытным путем,

при этом величину температуры замерзания разбавленного водного раствора многокомпонентного реагента определяют по формуле:

где Y_i, T_зрi - массовая доля и температура замерзания [К] i-го разбавленного водного раствора однокомпонентного реагента.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величины массовой доли содержания воды в гидратах из природных газов определены в пределах 0,86-0,94, причем ее значение увеличивается с уменьшением содержания метана в составах газов от 99 до 50 мас.%.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что численные значения коэффициентов a, b, d определены для однокомпонентных реагентов следующих классов химических соединений:

спиртов:

- метанола - a = -0,0139; b = -0,4015; d = 271,89;

- этанола - a = -0,0010; b = -0,7026; d = 275,93;

- пропанола - a = 0,0029; b = -0,6380; d = 274,40;

- этиленгликоля - a = -0,1610; b = 0,1144; d = 270,20;

- диэтиленгликоля - a = -0,0132; b = 0,1314; d = 271,73;

- триэтиленгликоля - a = -0,0101; b = 0,0741; d = 272,16;

- пропиленгликоля - a = -0,0153; b = 0,1651; d = 269,72;

- глицерина - a = -0,0117; b = 0,1474; d = 270,78;

солей:

- хлорида лития - a = -0,1131; b = 0,1979; d = 270,55;

- хлорида магния - a = -0,0840; b = 0,1646; d = 271,84;

- хлорида кальция - a = -0,1083; b = 2,0226; d = 258,88;

- хлорида натрия - a = -0,0213; b = -0,4524; d = 272,86;

- нитрата кальция - a = -0,0103; b = -0,1629; d = 272,86;

кислот:

- азотной кислоты - a = -0,0333; b = -0,1439; d = 271,75;

- серной кислоты - a = -0,0618; b = 0,5086; d = 269,68;

- соляной кислоты - a = -0,1480; b = 0,5750; d = 269,69;

- уксусной кислоты - a = -0,0015; b = -0,3192; d = 273,29;

соединений азота:

- аммиака - a = -0,0938; b = 0,2837; d = 268,27;

- моноэтаноламина - a = -0,0480; b = 1,2240; d = 262,47;

- диэтаноламина - a = -0,0154; b = 0,3064; d = 269,65;

- триэтаноламина - a = -0,0159; b = 0,5054; d = 268,65;

соединений кислорода:

- гидрооксида калия - a = -0,0671; b = 0,2591; d = 270,26;

- гидрооксида натрия - a = -0,0498; b = -0,4632; d = 272,43;

- пероксида водорода - a = -0,0088; b = -0,6531; d = 274,14;

- формальдегида - a = -0,0030; b = -0,5701; d = 273,12.