В системах добычи, подготовки и транспорта природного газа образование кристаллогидратов вызывает серьезные проблемы, связанные с нарушением технологических процессов работы газопромыслового оборудования и трубопроводов. Характерными местами образования газовых гидратов в промысловых условиях являются: призабойная зона скважин, стволы скважин, шлейфы и внутрипромысловые коллекторы. Для возобновления нормального режима работы скважины после возникновения эксплуатационных осложнений необходимы серьезные меры по растеплению гидратной пробки большой протяженности. На реализацию отмеченного тратятся значительные силы и средства, но при этом полностью прекратить гидратообразование в газовых скважинах не удается.
В отличие от газовых месторождений характерной особенностью при эксплуатации подземных хранилищ (ПХГ) газа является циклический характер работы ПХГ, когда происходит периодическая смена направления движения потока газа – из пласта (в сезон отбора) в пласт (в сезон закачки). При таких условиях работы образование гидратов особенно часто происходит в период отбора газа из пласта при отрицательной наружной температуре воздуха и повышенных темпах отбора. Сезон отбора, как правило, осуществляется с октября по март, иногда по апрель месяц.
В промысловых условиях наиболее распространенным способом борьбы с гидратами является применение летучего ингибитора гидратообразования – метанола. Метанол обладает высокой степенью понижения температуры гидратообразования, способностью быстро разлагать уже образовавшиеся пробки и смешиваться с водой в любых соотношениях, малой вязкостью и низкой температурой замерзания. Преимуществом использования метанола в качестве антигидратного реагента является то, что такая технология обеспечивает не только предупреждение гидратообразования, но и при определенных условиях является эффективным средством для удаления уже сформировавшиеся гидратных отложений.
Используя уникальные физико-химические свойства метанола, в частности его способность смешиваться в любых концентрациях и переходить в паровую фазу, не теряя при этом своих первоначальных свойств, и циклический режим эксплуатации подземного хранилища (закачка газа в пласт – отбор газа из пласта), была разработана технология подачи метанола в период закачки в призабойную зону пласта отдельных скважин, технологический режим работы которых сопровождается образованием гидратов в период отбора. Практически этот предупреждающий метод обеспечения продолжительной безгидратной эксплуатации скважин значительно эффективней, чем методы ликвидации уже возникшей проблемы.
Технологией метода предусмотрена закачка метанола в пласт перед завершением сезона заполнения хранилища газом. Подача ингибитора гидратообразования происходит в поток газа скважин, технологический режим работы которых характеризуется как гидратный. На стадии разработки технологии установлено, что подавать метанол на забой скважин необходимо за один-два месяца перед окончанием сезона закачки газа в ПХГ.
В настоящее время существуют различные методики расчета параметров технологии с использованием метанола [1, 2, 4, 5, 6]. Известны работы авторов В.А. Истомина, В.Г. Квон, Б.В. Дегтярева, Ю.Ф. Макогона, Э.Б. Бухгалтера, Г.В. Пономарева и других авторов.
Существует методика ВНИИГАЗа для расчета потребления метанола, которая в соответствии с ВРД 39-1.13-010-2000 предполагает расчет температуры гидратообразования и косвенным образом отражает влияние состава газа. Данная методика весьма эффективна для расчета показателей при непрерывной подаче метанола.
При периодической закачке в пласт с изменением условий эксплуатации необходимо создание гибких методик, позволяющих учитывать изменение условий, периодичности закачки, концентрации метанола и взаимосвязь параметров процесса.
Для разработки нового метода, который бы позволял надежно устранять проблему гидратообразования и иметь как можно меньше негативных последствий и мероприятий по обеспечению бесперебойной работы газотранспортной системы, были проведены промышленные исследования в различных технологических режимах работы ПХГ.
Исходные данные для расчетов приняты по диспетчерским данным эксплуатации Пунгинского ПХГ. Составы газов соответствуют среднестатистическим за пятилетний период и обозначены как Газ № 1 (сеноманский), Газ № 2, Газ № 3 (валанжинский).
При подземном хранении газа гидраты могут образовываться непосредственно в пласте, если закачку проводят в охлажденный водоносный пласт. Гидраты накапливаются непосредственно в призабойной зоне пласта или на значительном расстоянии от забоя скважин, если закачивают высокотемпературный газ под давлением, значительно превышающим начальное гидростатическое давление.
Расчетная зависимость для определения удельного расхода метанола, вводимого в поток газа для предупреждения гидратообразования на «защищаемом» участке, имеет вид [2]
(1)
где ΔW – количество содержащейся в газе (или конденсате) жидкой воды, кг/1000м3; С2 – минимально необходимая концентрация метанола в водной фазе, требуемая для предотвращения гидратообразования в защищаемой точке, % мас.; С1 – концентрация закачиваемого в газ метанола (90–95 % мас.); qг1 – количество метанола, содержащееся в поступающем газе, кг/1000м3; qг2 – количество метанола, растворяющееся в газовой фазе при его концентрации в водном растворе С2, кг/1000 м3; qk1 – количество метанола, содержащееся в поступающем с газом углеводородном конденсате, кг/1000м3; qk2 – количество метанола, растворяющееся в углеводородном конденсате при концентрации водометанольного раствора С2, кг/1000 м3.
Полученные графические зависимости расхода метанола от давления и температуры, показанные в работе [1], с высоким коэффициентом корреляции можно описать уравнением вида (для давления от 60 до 75 кгс/см2 и температуры газа от 0 до 20 °C):
G = Nlnp – 0,064t – M, (2)
где p – давление, кгс/см2; t – температура, °С; N и M – коэффициенты, зависящие от состава газа.
Данная зависимость может быть использована для расчета суточного потребления метанола по давлению для газов различных составов.
Предложенная ТюмГНГУ методика оперативного расчета расхода метанола основана на полученной зависимости потребления ингибитора от давления и состава газа при постоянном его расходе [7]:
(3)
где N и M – коэффициенты, зависящие от состава газа.
Данная зависимость может быть использована для расчета суточного потребления метанола напрямую по давлению для газов различных составов. Пример зависимостей, полученных для разных газов, представлен на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость расхода метанола от давления и состава газа
Очевидно, что с повышением давления, а следовательно и температуры гидратообразования, суточное потребление метанола возрастает. На расход метанола, исходя из полученной графической зависимости, влияет состав газа. С увеличением доли тяжелых углеводородов в газе кривая зависимости потребления метанола от давления становится более крутой, это свидетельствует о резком, по сравнению с метаном, возрастании потребления метанола с увеличением давления.
Зависимость суточного потребления метанола от состава газа можно выразить через коэффициент В, зависящий от приведенного удельного веса 
. Изменением значения коэффициента В в исходной модели гидратообразования получены зависимости коэффициентов N от В и M от В.
Авторами получены зависимости для определения:
– коэффициента N от В:
N = 63,83e0,017B;
– коэффициента M от В:
M = 0,215B2 + 9,755B + 37,27.
Для определения суточного потребления метанола при постоянном расходе газа по предложенной методике необходимо знать давление и определить коэффициент В, зависящий от приведенного удельного веса 
, понятие которого введено Г.В. Пономаревым.
Понятие приведенного удельного веса следующее. Равновесные условия существования гидратов зависят от состава газа, который может приближенно характеризоваться молекулярным или удельным весом. Если подсчитать сумму парциальных удельных весов гидратообразующих компонентов 
, входящих в состав данного газа, и разделить ее на сумму мольных гидратообразующих компонентов 
, то полученная величина 
будет более строго характеризовать гидратообразующую способность газа:
На основания анализа данных в ТюмГНГУ получена аналитическая зависимость для определения коэффициента В (0,555 < γ′ ≤ 1):
(4)
где 
– приведенный удельный вес.
Предложенная зависимость значительно упрощает метод нахождения коэффициента В при расчете суточного потребления метанола.
В таблице представлены значения коэффициентов для газов № 1…3.
Значения коэффициентов N и M
|
В |
N |
M |
|
|
Газ № 1 |
24,25 |
0,552 |
1,744 |
|
Газ № 2 |
15,7 |
0,471 |
0,860 |
|
Газ № 3 |
14 |
0,458 |
0,706 |
Для определения количества метанола, необходимого для закачки до периода отбора, предложена следующая зависимость:
(5)
где Qзак – количество метанола для закачки в скважину; С – концентрация метанола; Tзак – периодичность подачи метанола; Kэф – коэффициент, характеризующий эффективность ингибитора на период между подачами метанола.
Полученные зависимости суточного потребления метанола от расхода газа представлены на рис. 2–4.
Мы видим, что с увеличением доли тяжелых углеводородов в газе зависимость потребления метанола от расхода газа увеличивается, из-за более высокой температуры гидратообразования и, как следствие, большей минимально необходимой концентрации метанола в водной фазе, требуемой для предотвращения гидратообразования в защищаемой точке.
Таким образом, по результатам анализа разработанной методики при моделировании процесса гидратообразования в условиях Пунгинского ПХГ более опасным будет тяжелый газ. На предотвращение его гидратообразования требуется большее количество метанола.
Рис. 2. График зависимости потребления метанола от давления и температуры для газа № 1
Рис. 3. График зависимости потребления метанола от давления и температуры для газа № 2
Рис. 4. График зависимости потребления метанола от давления и температуры для газа № 3
Выводы
1. Разработан метод предупреждения гидратообразования, который успешно апробирован в режиме эксплуатации ПХГ «закачки газа», за счет подачи метанола на забой проблемных скважин, эксплуатация которых уже была осложнена гидратообразованием в устьевой арматуре и наземных коммуникациях.
2. Установлено, что надежные безгидратные режимы работы скважин и шлейфовых трубопроводов на ПХГ реализуются при достаточном содержании метанола во всем объеме газа, отбираемого из хранилища. Методикой расчета удельного расхода метанола для безгидратной эксплуатации каждой скважины предусмотрен определенный запас подачи метанола, так как на расход его влияет падение температуры на конце шлейфа, появление пластовой воды в продукции скважины.
3. Выявлено, что для расчета периода и времени закачки метанола в пласт необходимо точно знать начало предстоящего сезона отбора. Идеальный вариант – подача метанола весь период сезона закачки в проблемные скважины, что требует дополнительного экономического обоснования и может привести к большим затратам реагента. Установлено, что положительный эффект от закачки метанола достигается за 1–2 месяца до начала сезона отбора, т.е. начало обработки призабойной зоны скважин – в августе – сентябре.