автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Исследование гидратообразований в продуктопроводах и разработка методов борьбы с ними

Р Г Б Ом 2 О ИЮН \№

Министерство топлива и энергетики РОССИИ Тюменский индустриальный институт

на правах рукописи УДК 622.691

ЧЕПУРСКИЙ Владимир Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЙ В

ПРОДУКТОПРОВОДАХ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ БОРЬБЫ С НИМИ

Специальность 05.15.13

"Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень 1994

Работа выполнена в Тюменском индустриальном институте и производственном объединении "СибнеФтепровод"

Научный руководитель - доктор технических наук.

профессор Антипьев В.Н.

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Малюшин H.A.

Официальные оппоненты: доктор технических наук.

профессор Иванов H.A.

кандидат технических наук Смирнов В.А.

Ведущее предприятие - СибНИИНП

Защита диссертации состоится июня 1994г.

в 14 час. на заседании специализированного Совета К 064.07.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при Тюменском индустриальном институте по адресу: 625000 . Темень, ул. Володарского,38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского индустриального института.

Автореферат разослан мал 1994г.

Ученый секретарь Специализированного Совета

Ю.П.Сорокин

кандидат геолого-минералогических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность тени диссертации. Нефтегазовая отрасль промышленности является важнейшим составным звеном топливно-энергетического комплекса России.Основными поставщиками нефти и газа страны являются нефтегазодобывающие районы Западной Сибири и Крайнего Севера. Отсутствие мощностей по переработке добываемого сырья непосредственно на территории и вблизи нефтегазодобывающих регионов и наличие мощных потребителей в центре страны и за рубежом обусловило создание разветвленной сети промысловых и магистральных нефте- и газопроводов большой протяженности, которая только на территории Тюменской" области составляет более

200000 км.

Трубопроводный транспорт нефти, газа и широкой Фракции легких углеводородов (ШФЛУ) в условиях Сибири и Севера производится в условиях многих трудностей и осложнений. Осложняющими факторами являются суровые природно-климатические условия,отсутствие дорог, наличие многолетнемерзлых грунтов,высокая заболоченность (60У. трасс), крайне низкая заселенность местности прокладки трасс.Вследствие этого увеличиваются затраты,а также обьеи организационных мероприятий при оперативном контроле за состоянием трубопроводов, при локализации и устранении последствий аварийных ситуаций .

Отечественный и мировой опыт трубопроводного транспорта показывает, что наиболее эффективным средством предупреждения экологических катастроф, связанных с авариями на нефте- и продукто-проводах , является неукоснительное соблюдение технологических peí— ламентов эксплуатации всех элементов и систем трубопроводного транспорта и постоянное расширение и модернизация технологического потенциала обслуживающих организаций,их оснащение новейшими высоко эффективными средствами.

На вооружении эксплуатирующих предприятий имеется достаточно мощный набор технических средств и технологий обслуживания трубопр водов, однако до сих пор еще существуют вопросы, которые до наст щего времени оказались не только нерешенными,но и недостаточно иву ными. К ним относятся вопросы предупреждения образования и ликвидз гидратов в продуктопроводах ШФЛУ.

Анализ литературных источников и патентных документов показаг что проблема образования гидратов жидких углеводородов в основном сматривается в плоскости изучения равновесных свойств систем без ции полученных результатов к практике трубопроводного транспорта.Е большинстве работы посвящены созданию моделей расчетов условий гмр бразования и особенностям влияния ингибиторов на равновесие гидрат жидкий углеводород. Как правило, методы расчета основываются на ном Физико-химическом изучении компонентного состава углеводородов льзованием уникальной исследовательской техники.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка системы контроля возможности Формирования гидратных пробок в полости продуктопроводов, выявление наиболее подверженных гидратообразовак ков и наиболее опасных временных интервалов и разработка зФФективн лактических мероприятий на основе превентивных плановых очисток тр оперативных обработок традиционными и новыми ингибиторами образования гидратов.

Основные задачи исследования. В соответствии с целью работы основными задачами диссертационной работы являются:

- теоретические и экспериментальные исследования процесса гид-ратообразования из ШФЛУ при контакте с чистой водой и водными растворами ингибиторов различной концентрации и компонентного cocí а также определение влияния ингибиторов на снижение температурь тообразований;

- изучение механизма Формирования гидратных пробок в продукто-проводе при перекачке жидких углеводородных смесей и при остановке перекачки;

- разработка практических рекомендаций для выбора оптимальных методов предупреждения образования гидратных пробок на примере действующего продуктопровода Южный Балык-Тобольский нефтехимический комплекс

<НХЮ .

Научная новизна. Разработана методика определения температуры гидратообразования для жидких углеводородов применительно к условиям трубопроводного транспорта (давление до 5МПа) в зависимости от компонентного состава.

Получена закономерность влияния концентрации ингибиторов в водном растворе на снижение температуры гидратообразований из жидких углеводородов.

Установлено, что в качестве ингибиторов гидратообразований для ШФЛУ можно использовать глицерин.

Разработан механизм Формирования гидратных пробок в продук-топроводе при перекачке по нему ШФЛУ и при остановке перекачки.

Практическая ценность . Разработанная методика позволяет рассчитывать необходимую концентрацию водорастворимого ингибитора для того, чтобы снизить температуру гидратообразования на заданную величину, определяемую температурным режимом продуктопровода.

На основании разработанной схемы механизма Формирования гидратных пробок получены ¡эмпирические зависимости , позволяющие в каждом конкретном случае рассчитывать потребный расход ингибитора, места закачки его в продуктопровод,что создает возможность минимизировать затраты на борьбу с гидратообразованиями.

Реализация работы. Разработанные автором рекомендации по предотвращению осложнений , связанных с гидратообразованиями, ис-

пользуются в производственных подразделениях по ликвидации аварий ( Суплав);нефтепроводных управлениях,в объединении "Сибнефтегазпере] ботка"; на продуктопроводе "Белозерский ГПЗ - Южный Балык", на про топроводе ШФЛУ Южный Балык-Тобольский НХК.

Результаты исследований применяются организациями,разрабатывании проекты новых продуктопроводов ШФЛУ и нестабильного конденсата.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на:

- Международной деловой встрече "Диагностика 92", / г.Ялта, 13-19 апреля 1992г./;

- Совете главных инженеров АК Транснефть /г.Уфа,17-20 декабря 1993 г./.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы.

Содержание работы изложено на 158 страницах машинописного текста .Рис. 52 , табл. 21 .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования и приведена краткая характеристика диссертационной работы.

В первой главе дается анализ состояния проблемы повышения надежности и эксплуатационной безопасности нефте- и продуктопроводов.

Наряду с общими для систем трубопроводного транспорта причин аварийных ситуаций в продуктопроводах ШФЛУ и конденсатопроводах р нительной причиной осложнений является гидратообразование.Сложное этого явления подтверждается Фактом отсутствия до последнего врег' научно обоснованных технологий по предупреждению гидратообразования ликвидации пробок несмотря на значительную

ажность для практики этих разработок. Установлено, что гидратообразо-ания явились причиной ряда крупных аварий в России и за рубежом.Например,

декабре 1983г. гидратообразование парализовало подачу ШФЛУ в продукто-роводе Нижневартовск- Южный Балык в течение более чемЗО суток; суммарные ютери углеводородов из-за сжигания в Факелах превысили 100 тыс. тонн.

Образование гидратов в системах транспорта жидких углеводородов явилось одной из причин взрыва и Фактического уничтожения татформы "Пайнер альфа" в Северном море в 1988г. В результате |равительство Великобритании приняло решение о прекращении добы-1И из месторождения Пайнер.

Анализ причин появления гидратных пробок в продуктопроводах юказывает, что основным Фактором , способствующим гидратообразо->анию, является поступление воды в полость труб. Вода поступает в трубопровод в виде раствора в транспортируемом продукте. Затем происходит ее выделение из-за понижения температуры. Это явление наблюдается и при гидравлических испытаниях труб после опрес'Ьвки. 1ля практики, наряду с мероприятиями по удалению воды из трубопровода, зажна разработка эффективных способов борьбы с пробкообразованием.

Анализ результатов замера параметров эксплуатации продукто-1роводов непосредственно перед образованием пробок , а также в троцессе работ по ликвидации отложений, показывает, что формирование пробок в течение гидратоопасного' периода носит "случайный" <арактер с точки зрения существующего подхода к описанию процес-:а. В частности, невозможно объяснить причины стимулирования пробкообразования вводом ингибиторов в трубопровод. Этот процесс, предположительно, был причиной аварий в продуктопроводе Нижневартовск- Южный Балык и на платформе "Пайнер альфа" .

Следует отметить, что имеющийся в научной литературе'материал несистематичен и отражает лишь отдельные стороны проблемы.

В настоящее время для предупреждения пробкообразования и ли-

- в -

квидации пробок в трубопровод вводится ингибитор,при этом принято считать, что наилучшим ингибитором является метанол. Однако, при работах по ликвидации пробок в декабре-январе 1982-1983 г.г. в продуктопровод Нижневартовск- Южный Балык было введено более 1 тыс. м3 метанола, что не обеспечило безусловной защиты от гидратов. В связи с этим,одновременно с проблемой выбора ингибитор, актуальна проблема определения мест его ввода, контроля за происхо дящими процессами и удаления отработанного раствора.Решение этих проблем имеет первостепенное значение для обеспечения бесперебойно работы продуктопроводов и сокращение потерь перекачиваемого продук'

Вторая глава посвящена условиям образования гидратов из жидких углеводородов в присутствии чистой воды и водных раствор ингибиторов.

Кристаллогидраты образуются при одновременном выполнении двух условий: присутствие свободной воды и наличие определенных термодинамических параметров < температуры и давления). Последние находятся в прямой зависимости от компонентного состава ШФЛУ, который в свою очередь влияет на значения Физико-химических параметров - плотность ,вязкость, молекулярная масса , давление насыщения.

Экспресс-оценка основных названных характеристик в зависимо' ти от компонентного состава (до С£включительно)возможна по корреляционным зависимостям, полученным в результате обработки экспериментальных данных.В работе рекомендованы зависимости плотности, вязкости и давления насыщения как Функции температуры для ШФЛУ. Расчетные значения указанных параметров для ШФЛУ про-дуктопровода Южный-Балык - Тобольский НХК дают удовлетворительную сходимость с экспериментальными значениями.

В этой же главе предлагается методика для определения термодинамических условий гидратообразования для ШФЛУ в зависимости от углеводородного состава.В основе этой методики заложены следующие

соображения, которые хорошо видны из Фазовой диаграммы гидрато-образования. Условия гидратообразования описывается уравнением прямой рг = <3. 'Тр + ^ • Согласно экспериментальным данным параметр О. - Тг имеет значение приблизительно равное 9 МПа/К . Учитывая, что давление в условиях магистрального транспорта не превышает 5МПа,можно с достаточной для инженерной практики точностью считать , что температура гидратообразования для жидких углеводородов не зависит от давления, а целиком и полностью определяется углеводородным составом . Эта температура соответствует верхней квадрупольной точке, которую можно найти , решив систему уравнений

X,

к Ь

Т- / Г " - 1

Ки(Р.Т)

У

(1)

(2)

В верхней квадрупольной точке (Ро,То> выполняется равенство

У _ ау/^У _ _К±з

' г.- - " К:,

где х , у , г - мольные доли 1 -го компонента в жидкой, газообразной и твердой < гидратной > Фазах соответственно;

^¿1 ' ' ^^ ~ константы фазовых равновесий 1 -го ком-

понента в системах гидрат-ШФЛУ, газ-гидрат и газ- ШФЛУ. Соотношения <1) и <2> используются' также для определения компонентного состава газа, выделяющегося при разложении гидрата, который необходимо знать для определения условий образования "вторичных гидратов".

Наиболее распространенным способом борьбы с гидратами явля-

ется способ с применением ингибиторов. Однако, если влиянию ингибиторов на условия образования и разрушения гидратов из газов посвящено значительное число - исследований, и проблема в определенной степени решена, то для случая жидких углеводородов в этой части имеется значительный пробел.

В результате проведенных исследований разработана методика оценки снижения температуры гидратообразования из жидких углеводородов водными растворами ингибиторов различной концентрации.

Отмечая положительные и отрицательные стороны известных в настоящее время ингибиторов гидратообразований, в настоящей работе делается попытка поиска нового ингибитора. В результате экспериме» тальных исследований в лабораторных условиях было установлено, чтс в качестве ингибитора гидратообразований для ШФЛУ может служить г; церин. В экспериментах использовались пробы ШФЛУ, отобранные непосредственно из продуктопровода' Южный Балык - Тобольский НХК. По эффективности глицерин близок к гликолям и значительно уступает спиртам и электролитам. Однако в определенных условиях он может быть более экономичным.

Третья глава посвящена исследованиям влияния термодинамических режимов на условия образования и выноса водных скоплений I трубопровода применительно к продуктопроводам Западной Сибири. На основании проведенных расчетов распределения температуры вдоль трассы продуктопровода с учетом сезонных колебаний температуры окружающего грунта определена зависимость длины потенциально гид-ратоопасного участка от времени года. На этих участках при наличии свободной воды будет происходить гидратообразование. Однако образовавшиеся кристаллогидраты не всегда приводят к образованию гидратных пробок.Образованные кристаллогидраты,так же как и воды, переносятся потоком из одной застойной зоны в другую. Наличие

застойных зон уменьшает живое сечение потока ШФЛУ на отдельных участках продуктопровода. Тем самым оказывает влияние на гидравлические сопротивления трубопровода.По степени увеличения гидравлических сопротивлений и°»но косвенно судить о скоплениях воды на отдельных участках трассы трубопровода. Количество воды, скопившейся в пониженных участках трубопровода , можно регулировать режимом перекачки.Для этого необходимо знать скорость выноса воды из застойных зон.

Исследованиям по Формированию застойных зон из водных скоплений и условиям их выноса посвящено значительное число работ многих ученых. Основоположником этого направления работ является И.А. Чарный. Значительный вклад в дальнейшее развитие теории принадлежит А.К.Галлямову й его ученикам.

Используя основные зависимости А.К.Галлямова, были проведены расчеты скорости выноса воды и водного раствора ингибитора. Так для случая использования в качестве ингибитора метанола скорость выноса достигает минимального значения при концентрации метанола АО"/, по весу. Т.е., увеличение концентрации сначала (до 40%) ведет к уменьшению скорости выноса, а при дальнейшем увеличении концентрации - к возрастанию скорости выноса. Объясняется это противоположным влиянием плотности и вязкости на скорость выноса жидкости из застойной зоны.

Анализ эксплуатационных режимов продуктопровода Южный Балык-Тобольский НХК позволил определить максимальное содержание воды в застойных зонах и значение эффективной площади сечения трубы на различных участках в зависимости от расхода ШФЛУ. Кратковременная Форсированная перекачка ШФЛУ с повышенными скоростями обеспечит удаление воды до 20%.

Перспективным способом очистки является использование высо-

ковязких как водонерастворимых, так и водорастворимых составов. В качестве последних может успешно применяться глицерин.

Практический интерес представляет механизм Формирования гид-ратных отложений и установление Факторов, непосредственно влияющих на на динамику их роста. Изучению этих вопросов и посвящена четвертая глава диссертации.

Гидратообразование в полости продуктопровода возможно из неподвижной и раствор+нной воды, выделяющейся из ШФЛУ при охлаждении. При контактировании жидких углеводородов с водой в застойной зоне скорость Формирования гидратов лимитируется интенсивностью теплообмена продуктопровода и грунта, слоев подвижной и неподв! ной жидкостей. Максимально возможная скорость гидратообразования определяется из условия , что в зоне контакта углеводород-вода потери тепла трубопроводом в результате теплообмена с грунтом компенсируются энергией Нг, выделяемой при образовании гидратов; при этом температура в трубе остается постоянной и равной температуре гидратообразования. Из баланса этих энергий получено выражение для удельной объемной скорости роста гидратов П*0*К*<Т - Т )

д=-------------- , где (3)

Д н г

В работе получены также зависимости, позволяющие оценить скорость Формирования гидратных отложений из растворенной в ШФЛУ воды. Анализ эксплуатационных характеристик трубопроводов показывает, что при существующих условиях прокладки трасс и режимах эксплуатации образование гидратной пробки только за счет выделе» растворенной в ШФЛУ воды невозможно в течение 1-2 лет .

Однако , Формирующиеся' таким образом незначительные по толщине гидратные отложения могут быть центрами кристаллизации и накопления гидратной Фазы,перемещаемой потоком жидкости. Основ-

ным источником для Формирования гидратной пробки являются гидраты, образованные из накопившейся воды в застойных зонах продуктопро-вода.

Причиной перемещения гидратной Фазы с потоком может быть переполнение застойных зон вследствии гидратообразования или поступления в них водорастворимой жидкости, например,ингибиторов. Механизм пробкообразования при этом состоит в лавинообразном перемещении гидратных "шапок" по поверхности последовательных застойных зон на участок с наиболее благоприятными условиями для их локализации и накопления . Принципиальным моментом при этом является Факт превышения скорости перемещения гидратной фазы средней скорости потока . Отсюда следует , что закачка превышающих некоторые пределы обьемов ингибитора может привести к перемещению гидратных шапок и, в конечном счете, стимулирует пробкообразования. Это подтверждается анализом' процессов пробкообразования на продукто-проводе Нижневартовск-Тобольск в 1982 г .

Наиболее благоприятные для Формирования пробок условия создаются при остановке трубопроводов . При этом в застойных зонах образуется зеркало вода-ШФЛУ , на поверхности которого идет процесс пробкообразования . Моделирование процесса гидратообразования из воды и ШФЛУ показывает , что в течении максимального срока остановки вновь образованные гидраты не способны оказать сопротивление потоку при последующем запуске . Основную роль в Формировании пробок играют гидраты , образованные ранее и накапливаемые на зеркале раздела вода-ШФЛУ'после остановки перекачки. При этом следует иметь в виду , что степень опасности возрастает с увеличением протяженности гидрйтоопасного периода и возрастанием разности температуры,при которой происходит гидратообразование, и температуры потока .

Знание механизма и закономерностей Формирования гидратных

отложений позволяет своевременно принимать меры по эффективной профилактике по предотвращению пробкообразования, сократить расход реагента и затраты на борьбу с гидратами.

Пятая глава диссертации посвящена методам предупреждения образований гидратных пробок в продуктопроводе с применением водорастворимых ингибиторов.

Наиболее распространенными и легко реализуемыми методами предупреждения гидратообразования в продуктопроводах являются постоянная или периодическая подача в продуктопровод ингибиторов, например, метанола.

Математическое моделирование процессов взаимодействия мета-нолонасыщенного ШФЛУ с водой застойных зон показало, что способ профилактики гидратообразования обеспечивает эффективную защиту лишь на участках с небольшим количеством застойных зон и при длительной подаче реагента. Особенностью процесса является необходимость сначала обработок в безгидратный период эксплуатации участка для обеспечения насыщения воды реагентом до момента понижения температуры. Данная технология эффективна при невозможности использования других методов, ее реализация требует проведения тщательного предварительного обоснования и последующего контроля.

Моделирование особенностей применения единовременных закачек реагентов в качестве средства профилактики пробкообразования показывает, что по мере продвижения реагента по трубопроводу происходит значительное разбавление реагента и потеря его кондиции с одновременным перемещением вала воды или слабого раствора.

" При реализации этого способа в гидратоопасный период возможен обратный эффект - Формирование пробки до момента поступления реагента. Поэтому применение такого метода также нуждается в обосновании с учетом возможных негативных последствий.

Наиболее целесообразно применение этого способа на небольших участках, где возможно обеспечить как ввод реагента, так и удаление воды и раствора из застойных зон.

Важным моментом является выбор ингибитора: для протяженных участков предпочтителен метанол, для коротких - нерастворимые в ШФЛУ реагенты . Следует особое внимание уделять водным растворам глицерина , которые должны применяться в безгидратный период. При таком подходе обеспечивается'максимальное удаление воды и предупреждение возможности гидратообразования при последующей эксплуатации продуктопровода.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика определения термодинамических условий гидратообразования для жидких углеводородов.В ней обосновано, что температура гидратообразований зависит от компонентного состава ШФЛУ и для эксплуатационных условий магистральных про-дуктопроводов не зависит от величины давления. Методика позволяет одновременно рассчитывать компонентный состав газа, который выделяется при разложении гидрата, что очень важно при определении услс вий образования "вторичных" гидратов.

2. Разработана методика оценки снижения температуры гидратообразования из жидких углеводородов в зависимости от концентрации ингибиторов в воде.

3. Экспериментально установлено, что глицерин обладает свойствами ингибитора гидратообразований для ШФЛУ. Высокая вязкость, гигроскопические свойства глицерина позволяют использовать его при очистке полости трубопровода от воды.

4. Предложен механизм Формирования гидратных пробок , заклю-

- 1 ь -

чающийся в лавинообразном перемещении гидратных "папок" на поверхности последовательных зон на участок с наиболее благоприятными условиями для их локализации и накопления. В соответствии с этим механизмом получены зависимости, позволяющие проводить расчеты по расходу гидрата в любой застойной зоне. Дана оценка влияния остановок продуктопровода на Формирование гидратных пробок.

Особенности образования кристаллогидратов в ШФЛУ и Формирования гидратных пробок не позволяют механически переносить методы борьбы с гидратами с газопроводов на продуктопроводы. В отдельных случаях применение известных методов может привести к обратному эффекту.

5. Проведенный анализ режимов перекачки ШФЛУ по действующему продуктопроводу Южный Балык -Тобольский НХК позволил разработать рекомендации по предотвращению формирования гидратных пробок.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Малышев А.Г.,Антипьев В.Н.,Чепурский В.Н. Гидратоопасные режимы эксплуатации продуктопроводов. В сб. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов.М.:ВНИИ0ЭНГ,вып.1.-1992.

2.Антипьев В.Н.,Малышев А.Г.,Чепурский В.Н. Оценка влияния образования гидратов из жидких углеводородов . В сб.Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов.М.8ВНИИ0ЭНГ, вып.11.-1991,с.9-12

3.Алиев Р.А.,Бандурка Н.Н.,Чепурский В.Н. Образование гидратов в потоках сжиженных углеводородных газов,содержащих влагу. В сб. Научно-технические достижения и передовой опыт,рекомендуемые для внедрения в нефтяной промышленности.М.I ВНИИ0ЭНГ,вып.2.-1991,с.32-34

4. Малышев А.Г., Антипьев В.Н.,Чепурский В.Н., Малышев Г.А.

Применение водных растворов глицерина для борьбы с гидратами в продуктопроводах. В се. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. М.:ВНИИОЭНГ,вып.6.-1992,с. 4-8

5. Антипьев В.Н.,Забазнов А.И.,Земенков М.Д..Чепурский В.Н. Особенности эксплуатации конденсатопроводов в условиях Западной Сибири.И.: ВНИИЭгаэпрон,1991.-53с.

6. Чепурский В.Н.,Ченцов А.И.,Антипьев В.Н.Подорожников С.Ю. Особенности производства аварийно-восстановительных работ на магистральных продуктопроводах ЫФ/1У. В сб. Транспорт и хранение неФти и нефтепродуктов. М.:ВНИИОЭНГ,вып.4.-1991.с. 1-5.

Соискатель