Инструкция по предупреждению и борьбе с гидратообразованием в скважинах и промысловых коммуникациях на месторождениях Крайнего Севера

МИНИСТЕРСТВО ГАЗОВОЙ промышленности

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ (ВНИИГАЗ)

ШМЫГЛЯ/

" Т2 " ноябре_1970г.    "20"_ноября 1970г.

ИНСТРУКЦИЯ

ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ И BOPbffi С ЩДРАТ00БРА30ВАНИЕМ В СКВАЖИНАХ И ПРОМЫСЛОВЫХ КОММУНИКАЦИЯХ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

ДИРЕКТОР ВНИИГАЗа    С.ГУДКОВ

Москва X97I

АННОТАЦИЯ

В настоящей "Инструкции по предупреждению и борьбе с гвд-ратообразованием в скважинах и промысловых коммуникациях" содержатся краткие представления о физико-химической природе гидратов природного газа и даются рекомендации по расчетному и экспериментальному определению условий гидратообразования, рекомендации по определению термодинамических условий газового потока в стволах скважин, которые позволяют определить место возможного гидратообразования.

Подробно освещается основной метод борьбы с гидратами о помощью ингибиторов гидратообразования, приведены характеристики существующих ингибиторов и рекомендации по их выбору, определению количества и технологии ввода, а также основы техники безопасности при работе с ингибиторами. Рассматриваются также новые методы борьбы с гидратами, направленные на сокращение расхода ингибиторов - теплоизоляция илейфов, поддержание оптимальных (безгидратных) режимов работы скважин и вдей-фов и др.

•Инструкция" составлена сотрудниками лаборатории промысловой аппаратуры и технологии Дегтяревым Б.В. ж Бухгалтером Э.Б. под руководством Хорожилова В.А.

Замечания, дополнения и пожелания просим направлять по адресу: Московская обл., Ленинский р-н, п/о совхоз им. Денина, ВНИИГАЗ.

2. Расчет условий гндратообразования с помощью констант равновесия является более точным, хотя и несколько громоздким. Этот расчет ведется следующим образом [ю] .

По графикам, приведенным на рис. 3-9 при заданных условиях (температура и давление) находят значения констант равновесия для каждого гждратообраз ущего компонента природного газа К L . Мольную долю каждого компонента У с делят на его константу равновесия К i и складывают полученные частные •

Если эта сумма меньше единицы, то гидраты не образуются. Если же Z.£i/)Ci » то при заданных условиях могут образовываться гидраты. Равновесные условия или условия начала гидрато-образования имеют место в том случае, когда    =    /

При этом даже незначительное повышение температуры иди понижения давления исключает образование гидратов.

Пример. Определить условия образования гидратов в газе, транспортируемом по газопроводу при £ * 8°С, Р = 35,2 атм; и

t = 8°С, Р = 42,2 атм. Результаты расчетов помещены в таблицу 2.

Таблица 2,

ЛЛ :Компо- :Концен- : ; Р_= 42.2 ат . пцЛнеяты 1 Hi :ТКЗ:>*8 • • • • к' * JL КС : * Ж. . I 2 3 4 5 6 7 I Nt 2,24 5,3 0,42 4,8 0,46 2 С02 0,11 0,817 0,14 0,715 0,15 3 сн4 93,20 1,394 66,85 1,263 73,80 4 с2Не 3,28 0,239 13,72 0,168 19,50 5 СзН8 0,35 0,0343 10,20 Ь,0278 12,60 6    Cpj0 7    Сумиа 0,82 100,00 0,239 3,43 94,76 0,168 4,90 111,41

Состав газа приведен в колонках 2 и 3; константы равновесия для давления 35,2 - в колонке 4; сумма частных (колонка 5)

- менее 100. Следовательно, при t - 8°С и Р = 35,2 ат гидраты не образуются. Проводя аналогичный расчет для давления 42,2 ат,

находим,что сумма частных более 100 (см,колонки 6 и 7).Это означает, что при t =8°С и Р = 42,2 ат данный газ образует гидраты.

Равновесное давление (когда сумма частных равна 100) находим следующим приемом:

Разность (42,2-35,2) = 7 ат соответствует разности (111,41-94,76) - 16,65.

X ат соответственно (100-94,76) =5,24

Отсюда X = 1 *- ⁵-*²^ ₌ 3£*62 _{= 2} 2 ат.

16,65    16,65

Тогда равновесное давление равно 35,27*2,2 = 37,4 ат.

16

СОДЕРЖАНИЕ

Cip.

hhRiiKHMK- •••••»•••««••»»*•••••••    5

ШВА I. УСЛОВИЯ 0Ы>А30ВАНИЯ ГИДРАТОВ

§ I. Фжажко-хжмнческая характериотнка гидратов и фактора, шяпце та жх образование при добыче природного rasa............. 7

$ 2. Определение параметров начала гндратообразо-

ваккя для газов различного состава....... 9

§ 3. Осределенхе основных параметров состояния

газа в стволах скважины н промысловых коммуникациях 19

5 4. Выделение воин возможного лвдратообрааоваяня

в окважннах я илеЛфах............. 40

ШВА П. БОРЬБА С ШДРАТООБРАЗСВАНИВ1 С ПОУОЩЬЕ ИНПШЯОРСВ

§ I. Фивико-ххмичеокая хараитеристжна жнгнбнторов

гждратообразоваяня............... 42

§ 2.    Расчет количества вводимого    ингибитора..... 54

§ 3.    Сравнение и внбор ингибиторов    гндратообрааованжя 58

$ 4. Технология применения ингибиторов гхдратообра-

зоваххя.................... 63

§ 5. Предупреждение гидратообразоваяхя в период оовоеиия и опнтно-проюжженно! зксплуатацих

скважин.................... 67

§ 6. Основные положения техники безопасвоотх при

работе е огибитораик............. 72

ШВА В. СП0С0&1 СОКРАЩЕНИЯ РАСХОДА ИНПШГГОРОВ ПРИ БОРЬБЕ С ГИДРАТАМИ § I. Поддержание безгидратного режима работы

скважин.................... 75

§ 2.    Поддержание безгидратного    режжма    работы илеВфов 78

ЗАКЛГНШЕ....................... 84

ЛИТЕРАТУРА....................... 85

3

ВВЕДЕНИЕ

За последнее время открыто больное количество газовых н газоконденсатных месторождений в Северных ■ Северо-восточных районах налей страны, т.е. в зоне распространения многолетней мерзлоты, простираюцейся на бельму» глубину. К таким месторождениям, в частности, относятся Уренгойское, Медвежье-Ныдинское, Заполярное, Губкинское, Тазовское, Ново-Иортовское (крайний север Тшенской области), Усть-Внлюйское, Средне-Видюйское, Неджелинское (Якутская АССР) и ряд других. Общие запасы этих месторождений,по предварительным данным,значительно превышают запасы всех разрабатываемых в настоящее время в СССР месторождений.

Одной из основных проблем при разработке таких месторождений является борьба с гидра «образованием в стволах скважин, промысловых кошунжкациях н даже в призабойной зоне,и от успешного реленжя этой проблемы в значительной мере будет зависеть подача газа дальним потребителям.

В настоящее время не имеется официальной инструкции, подробно освещающей вопросы борьбы с гидратами при эксплуатации скважин ■ промысловых коммуникаций в условиях Севера. Эти и некоторые другие специфичные вопросы освещаются в настоящей 'Инструкции”, которая должна послужить основным руководящим материалом для промысловых работников ■ проектных организаций при проектировании и эксплуатации газовых промыслов в условиях Севера.

5

ГЛАВА I. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТОВ

§ I. Физико-химическая характеристика гидратов и факторы, влияющие на их образование при добыче природного газа.

Большинство компонентов природного газа в соединении с водой образуют гидраты - твердые кристаллические соединения переменного состава, которые при высоком давлении могут существовать при положительных (до 20-25°С) температурах. По внешнему виду гидраты напоминают спрессованный снег или лед и имеют близкую к ним плотность (0,88-0,9 г/см³) и прочность.

Рентгенографически установлено два типа кристаллической решетки гидратов: структура I, построенная из 46 молекул воды и имеющая 8 полостей и структура П - 136 молекул воды, 16 малых полостей и 8 больших. Молекулы газа-гидратообразователя находятся в полостях решетки, которая может существовать только при наличии этих молекул.

Метав, этан, углекислый газ, сероводород и азот образуют гидраты структуры I, причем идеальная формула полностью насыщенного газом гидрата в этом случав будет 8М*46Н₂0 (или М’5,75 1^0), где М - молекула гидратообразователя. Пропан и изобутан образуют гидраты структуры II с идеальной формулой 8WI36 1^0 (М*17 Н₂0). Углеводороды с размерами молекул больше» чем у изобутана гидратов не образуют.

При добыче природного газа, который представляет собой смесь различных газов, образуются смешанные гидраты типа:

CgHg*ЗСН^•ITR^O, т.е. малые полости в решетке структуры П занимает газ, самостоятельно образующий гидраты структуры I.

Выше было сказано, что гидраты существуют только при повышенном давлении. Условия существования гидратов индивидуальных газов наглядно поясняются фазовой диаграммой, представленной на рис. I. Кривая Ш-1-1У на этой диаграмме выражает зависимость давления образования гидратов от температуры, кривая 11 представляет линию упругости паров газа гидратообразователя. Точка пе-

7

ресечения этих кривых Тк называется верхней критической точкой пдретообразования. В критической точке Тк сосуществует 4 фазы: вода, газ, гидрат и сжиженный газ» При температуре выое Тк гидраты не образуются даже при сильном повышении давления, а газ-гид ратообразователь переходит в жидкость. Для метана и азота линия упругости паров заканчивается в критической точке газа до пересечения с линией гидратообразования, поэтому эти газы не имеют верхней критической точки гидратообразования.

Нижняя критическая точка гидратообразования Тк* соответствует температуре близкой к 0°С. В этой точке сосуществуют газ, дед, гидрат и вода.

Рис, I, Принципиальная диаграмма фазовых состояний системы газ-гидрат-вода.

Таким образом давление и температура однозначно определяют область существования гидратов для данного газа. Третьим важным условием возможности образования гидратов является наличие свободной влаги. Имеются указания на то, что рост кристаллов гидратов может происходить и непосредственно из паровой

8

влаги, содержащейся в газе* однако только в случае наличия уже образовавшихся кристаллов, служащих центрами дальнейшей кристаллизации.

Местом образования гидратов является поверхность раздела фаз газ-вода, ■ жидкая вода переходит в гидрат только при барботаже газа (или пре перемешивании фаЗ и при наличии условий гидратообразованжя. В отсутствие перемешивания пленка гидрата образуется только на поверхности раздела фаз и дальнейшее образование гидрата прекращается, так как диффузия газа через твердую пленку происходит чрезвычайно медленно.

К числу факторов, влияющих на условия гидратообразованжя, необходимо отнести также минерализацию воды и состав газа. Минерализация пластовой воды довольно ощутимо влияет на эти условия. Так, добавка в воду поваренной соли поникает температуру начала гждратообразовання на 0,5 - 0_#6°С на 1% (вес] соли. Аналогичное действие оказывают и другие сильные электролиты.

Состав газа такие сильно влияет на температуру начала гнд-ратообразованжя, которая существенно отличается от температуры гидратообразованжя метана, - основного компонента природного газа - из-за наличия в газе этана, пропана, изобутана, углекислоты, сероводорода и азота. Так, наличие в газе всего 1% пропана повышает равновесную температуру гидратообразованжя на 4-5°С в зависимости от давления. Аналогичное влияние оказывают и другие углеводороды, а также С0₂ и    Наличие    в    газе    азо

та затрудняет образование гидратов. Например, при содержании в газе всего I($ азота равновесное давление гидратообразованжя повышается на 20-30% по сравнению с тем же газом без примеси азота. Итак, условия образования гидратов зависят, в первую очередь, от давления, температуры и состава газа, а также от наличия свободной влаги и степени ее минерализации.

§ 2. Определение параметров начала гидратообразо-вания для газов различного состава.

Условия начала гидратообразованжя существенно зависят от состава газа. В связи с этим для успешного проведения испытаний* освоения и эксплуатации газовых скважин, для выбора и расчета

9

количества ингибитора гидратообразования необходимо знать параметры начала гидратообразования для газа каждой исследуемой площади в рабочем диапазоне давлений.

Для решения этой задачи существует несколько методов.

I. Определение условий гидратообряапвяядч до относительному удельному вест газа с помощью номограммы, приведенной на рис. 2. Область существования гидратов на этом рисунке располагается левее и выше приведенных кривых, причем с повышением давления и плотности газа температура начала гидратообразования возрастает. Так для газа с удельным весом 0,6 при давлении 50 ai гидраты образуются при температуре 12,8°С, а газ удельного веса 0,7 образует гидраты при том же давлении при t = 15,6°С.

Этот метод очень прост и удобен для практического применения. Однако, поскольку одинаковый удельный вес могут иметь газы различного состава, эта характеристика является недостаточно определенной.

При построении этой номограммы были использованы данные по сравнительно сухим американским газам, поэтому наиболее приемлемые результаты могут быть получены только для газов аналогичного состава (таблица I).

Таблица I

Компоненты	: Мольный		состав, %	об.
Метан	92,67	86,05	73,50	64,98	54,71
Этан	5,290	6,06	13,40	17,77	17,45
Пропан	1,380	3,39	6,90	11,18	13,30
Иэобутан	0,182	0,84	0,80	1,50	2,10
Нормальный бутан	0,338	1,36	2,40	4,14	6,40
Пентан+высшие	0,140	2,30	3,00	3,43	6,04
	100,00	100,00	100,00	100,00	100,00
Удельный вер по воз
духу {«счетный	0,603	0,704	0,808	0,906	1,023

10