Динамика накопления и диссоциации газогидратных отложений в действующих газопроводах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

УРАЗОВ РУСЛАН РУБИКОВИЧ

ДИНАМИКА НАКОПЛЕНИЯ И ДИССОЦИАЦИИ ГАЗОГИДРАТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ДЕЙСТВУЮЩИХ ГАЗОПРОВОДАХ

01.02.05. Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Тюмень - 2005

Работа выполнена на кафедре прикладной математики и механики Стерлитамакской государственной педагогической академии.

Научный руководитель: член-корр. АН РБ, доктор физико-

математических наук, профессор

В.Ш. Шагапов

Научный консультант: кандидат физико-математических наук,

доцент Н.Г. Мусакаев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

С.П. Родионов

кандидат физико-математических наук В.Р. Сыртланов

Ведущая организация: Уфимский государственный нефтяной

технический университет, г. Уфа

Защита диссертации состоится <ь?_)> 0@ 2005г. в // час. на заседании диссертационного совета ДМ 212.274.09 в Тюменском государственном университете по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Перекопская, д. 15д.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного университета по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Семакова, д. 10.

Автореферат разослан « £(> » ОТ 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, , ,, .,

, А.В Iатосов

кандидат физико-математических наук

У 0 9-41

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В работе рассмотрено течение влажного углеводородного газа в трубопроводе, сопровождаемое процессом отложения газогидрата (склерозом) на его внутренней поверхности. Исследованы некоторые методы профилактики и борьбы с гидратообразованием, возникающим при транспортировке природного газа в магистральном трубопроводе. Предложено теплофизическое обоснование таким способам как осушка газа, снижение давления перекачки, подвод тепла и удаление газогидратных отложений путем введения в поток ингибиторов (на примере метанола).

Актуальность темы. Одним из важнейших аспектов разработки газовых месторождений является выбор технологических и инженерных решений эксплуатации трубопроводов с целью предотвращения осложнений из-за склеротических процессов, связанных с отложениями газогидратов на внутренние стенки газопроводов. Эти явления, приводящие к снижению дебета трубопроводов и их остановке, зависят не только от гидродинамических и теплофизических процессов внутри газопровода, но и от теплового взаимодействия газопровода с окружающим грунтом. Анализ возможных осложнений при эксплуатации газопровода из-за отложений твердой фазы на его внутренние стенки, разработка различных мероприятий по предотвращению этих отложений, должны опираться на теоретические модели, учитывающие совместное проявление отмеченных процессов (течение газа в трубопроводах при наличии фазовых переходов; отложение твердой фазы на стенки трубопровода; теплообмен трубопровода с окружающим грунтом).

Однако к настоящему времени отсутствует комплексное математическое описание работы трубопровода; исследование каждого из процессов проводилось без учета влияния других, либо учитывался дополнительно какой-то один фактор. Практика же показывает, что чем шире круг моделируемых процессов и условий их применения, тем точнее и надежнее выполняемые на его основе прогнозы. Все это в конечном итоге и определяет актуальность диссертации.

Цель работы. Разработка математической модели процессов, происходящих при эксплуатации газопроводов; изучение на основе модели различных способов предупреждения гидратообразования и методов борьбы с уже образовавшимися газогидратами в трубопроводе.

Достоверность. Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием основных положений механики многофазных сред и термодинамики, современным математическим

'ос национальная] библиотека

СПе

о» \

аппаратом, а также сопоставлением полученных численных решений с практическими замерами.

Практическая ценность. Построенная в диссертационной работе математическая модель может служить основой для компьютерного моделирования работы трубопровода; полученные результаты могут быть использованы при обосновании наиболее эффективных существующих способов и при разработке новых методов предотвращения гидратообразований.

Научная новизна. Создана математическая модель работы трубопровода в осложненных условиях и впервые в комплексе учитывающая такие взаимосвязанные обстоятельства, как: течение газа в трубопроводе при наличии фазовых переходов; отложение твердой фазы на стенки трубопровода; теплообмен трубопровода с окружающей породой. Разработан оригинальный метод расчета динамики роста гидратоотложений на стенках трубопровода. Установлено, что гидратоотложение не только не оказывает стабилизирующего воздействия на темпы своего роста, а напротив, интенсифицирует этот процесс.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на следующих конференциях и научных школах:

Школа-семинар по механике многофазных систем под руководством академика РАН Р.И. Нигматулина, Стерлитамак, 2002 г.

Школа-семинар по проблемам механики сплошных сред в системах добычи, сбора, подготовки, транспорта и переработки нефти и газа под руководством академика А.Х. Мирзаджанзаде, Уфа, 2002.

Международная конференция «Спектральная теория

дифференциальных операторов и родственные проблемы», Стерлитамак, 2003.

Всероссийская научно-теоретическая конференция ЭВТ в обучении и моделировании, Бирск, 2004 г.

XIй Межотраслевой научный и методологический семинар «Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника» под руководством Заслуженного деятеля науки РФ. д.т.н., профессора А.Б. Шабарова, Тюмень, 2005 г.

Кроме того, результаты, полученные в диссертационной работе, регулярно докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры прикладной математики и механики Стерлитамакской государственной педагогической академии под руководством профессора В.Ш. Шагапова.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 121 страницу, в том числе 27 рисунков. Список литературы состоит из 73 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, рассмотренной в диссертации, сформулирована цель, научная новизна, кратко изложена структура диссертации.

В первой главе выполнен обзор исследований физико-химических свойств гидратов природных газов. Обсуждаются исследования, проведенные отечественными и зарубежными учеными, в числе которых Макогон Ю.Ф., Саркисьянц Г.А., Мусаев P.M., Бухгалтер Э.Б., Истомин В.А., Якушев B.C., Бондарев Э.А., Hammerschmidt Е. G., Deaton W. М., Frost Е. М. и др. посвященные изучению равновесных условий гидратообразования как индивидуальных газов, так и многокомпонентных систем, которые образуют смешанные гидраты. Также выполнен обзор исследований посвященных существующим методикам предотвращения процесса образования газогидратных пробок, под действием различных ингибиторов. Рассмотрены литературные источники, посвященные математическому моделированию процессов накопления и диссоциации газогидратных отложений в трубопроводе.

В заключении кратко, критически проанализированы работы предшественников, названы те вопросы, которые остались нерешенными и, таким образом, определено место автора в решении проблемы.

Во второй главе диссертации получена система дифференциальных уравнений, описывающая гидро- и теплодинамику потока углеводородной системы с учетом фазовых переходов и структуры потока, динамику твердых отложений на внутренних стенках трубопровода, приведены краткие сведения о газогидратах, получены уравнения, описывающие эволюцию гидратоотложений.

В разделе 2Л_ исследования посвящены определению гидродинамических и теплофизических параметров в газопроводе.

В п.2.1.1 приведены основные допущения механики многофазных сред. Для учета межфазных массообменных процессов и связанных с ними

теплофизических явлений принимается, что поток природного газа в трубопроводе, состоит из двух компонент, а именно из влаги, являющейся главной составляющей при гидратообразовании, и из всей остальной части -в основном углеводородной смеси. Первая компонента в потоке может содержаться в парообразном состоянии и в виде капелек.

При теоретическом моделировании газожидкостных потоков за основу принимаются следующие допущения: температура для каждого сечения канала одинакова для обеих фаз (газа и жидкости); фазовые переходы происходят в равновесном режиме; течение в газопроводе квазиустановившееся; расход газа тк по всей длине трубопровода постоянный

mg=mg(i= Const, mg = pgwgS, S = 7ia2.

Влага, содержащаяся в потоке с массовой концентрацией kw , может находиться в двух агрегатных состояниях: в виде жидких капелек с концентрацией к, ив виде пара в газовой фазе с массовой концентрацией к0. Эти концентрации связаны между собой следующим образом:

kw=k,+{\-k,)kv.

В п.2.1.2 для рассматриваемого течения газа в стационарном приближении записывается уравнение импульсов

* dz dz

в котором р - давление и/- сила гидравлического трения, отнесенные на единицу длины трубопровода.

Сила трения между потоком и стенками канала принимается в виде

о w2

f = 2лат , г ,

8

здесь X - коэффициент гидравлического сопротивления.

В п.2.1.3 записывается уравнение сохранения энергии с учетом тепловых эффектов конденсации пара, отвода тепла к внутренней стенке трубопровода

dT m dp , elk,

здесь д

интенсивность теплопередачи от газового потока к стенке

трубопровода, отнесенная к единице площади внутренней поверхности его стенки, определяется из условия теплового баланса

Я ¡а = ЧаС, 1

где с/а0 — интенсивность теплопередачи между стенкой трубопровода и окружающим грунтом, температура которого Та .

В п.2.1.4 выводится уравнение, выражающее зависимость равновесной концентрации водяного пара от температуры и давления в трубопроводе

( Т '

РК

« у

Приведенные в П.2ЛЛ-2Л.4 уравнения масс, импульсов, энергии, с учетом уравнения состояния газа, при задании гидравлического трения /, интенсивности теплоотвода ()Ка являются замкнутой системой.

В п.2.1.5 путем преобразования уравнений импульсов, энергии, состояния газа переходят к системе уравнений, удобной для численного расчета

(к

уР

г

БТ

с!р Иг'

ХТ„

ф

¿г

85 :

.¿к т„

я Р

у

+ к,1

Полученные уравнения представляют собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений для определения распределений давления и температуры по длине трубопровода. Данная система решается методом Рунге-Кутта четвертого порядка точности.

В п.2.1.6 задаются начальные и граничные условия.

При численных расчетах использовались промысловые данные по Сладковской скважине №9 Краснодарского края для участка трубопровода (от скважины до гидроузла) протяженностью г, =10 км, с диаметром £> = 2я0 =0.22 м и толщиной стенок й = а, -а0 =0.011 м, для случая, когда

теплоизоляция отсутствовала (а2 = а,), а температура грунта составляла Т(1 = 279 К (6 °С). Для подаваемого в трубопровод после сепарации газа из скважины использовались следующие значения удельной теплоемкости, приведенной газовой постоянной, коэффициента теплопроводности и динамической вязкости: с1,= 2911 Дж/(кгхК); =450 Дж/(кгх К); =0.03

Дж/(м х с х К); =11 х 10"6 кг/(с х м). Для коэффициентов теплопроводности приняты следующие значения: АЛ =2.2 Дж/(м х с х К); Я, =58.24 Дж/(м х с х К); Я,, =2 Дж/(мхсхК). Глубина заложения трубопровода Л= 1м. Для эмпирических коэффициентов взяты следующие значения: рн,= 9.3x1010; Ги,=5100 Для водяного пара приняты следующие значения параметров: /?„=461 Дж/(кгх К); /,„ = 1.7х 106 Дж/кг.

Параметры газа на входе задавались равными: р0= 3.2 МПа, Тй =323.15 К, =0.683 кг/с =0.89м3/с), £„0 =10"3.

На рис.1 представлены распределения давления и температуры (температура стенки трубопровода практически совпадает с температурой газа) по длине трубопровода в «нулевой» момент времени, когда газогидрат на стенках трубопровода отсутствует.

Т,С

Рис.1. Распределение давления (а) и температуры (б) вдоль трубопровода в начальный момент времени, когда ?азо?идратный слой отсутствует

В разделе 22 исследуется процесс отложения твердой фазы на внутренних стенках трубопровода.

В п.2.2.1 приводятся основные замечания и допущения, а также некоторые сведения о газогидратах.

В п.2.2.2 записываются уравнения, описывающие эволюцию твердых отложений.

Образование газогидрата на некотором участке трубопровода приводит к обеднению потока влагой, поэтому уравнение сохранения массы для влаги записывается в виде

Для скорости роста толщины газогидрата на внутренней стенке трубопровода справедливо

а Рь '

При решении задачи о нарастании газогидратного слоя предполагается, что образование газогидрата может происходить двумя способами: в режиме теплового баланса и в режиме дефицита влаги. Интенсивность отложения газогидрата в первом случае будет определяться из условия теплового баланса на поверхности газогидратного слоя

и* =<7

при этом полагается, что температура поверхности фазовых переходов Та (которая является одновременно температурой внутренней стенки трубопровода на участке, где откладывается газогидрат) равна равновесной температуре гидратообразования 7], соответствующей значению давления газа р в потоке (Та = Т,(р)); во втором случае интенсивность лимитируется процессом поступления влаги к поверхности газогидратного слоя ^ = , БИ = 0.02Ше0 8 Рг№'043 .

Также предполагается, что интенсивности образования газогидрата и потребления влаги на гидратообразование должны быть связаны «стехиометрическим» условием

Л. =0 - кф)]н ■

В п.2.2.3 приводится способ, позволяющий определить участок трубопровода, подверженный склерозу. Достаточными условиями образования газогидратов на стенках трубопровода являются, во-первых, наличие капелек воды в газовом потоке вблизи стенки трубопровода, а во-

вторых, температура стенки трубопровода не выше, чем равновесная температура образования газогидратов, соответствующая давлению в потоке. Согласно первому условию точка росы наступит в сечении, где будет выполняться

Т

'и,'

, ехр

Т

\ а У

Ко РК я„

При наступлении точки росы вблизи стенки трубопровода образование газогидрата может происходить при выполнении условия

/ \

Та<ТХр), ТЛр) = Тк. 1п + тл.

В п.2.2.4 приводится схема расчетов течения газовой смеси в трубопроводе при наличии отложений твердой фазы.

На основе предлагаемой схемы были проведены расчеты изменения толщины отложений газогидратов на внутренних стенках трубопровода в различные моменты времени с начала работы газопровода. Для состава продукции Сладковской скважине №9 Краснодарского края со средней плотностью pf.A~0.6pn (рв - плотность воздуха) на основе данных приведенных в литературе, описывающих равновесные условия гидратообразования, приняты следующие значения для эмпирических коэффициентов: /?10=3.2 МПа, Тл =282.65 К, Тк, =8.28. Образующиеся газовые гидраты имеют следующие значения теплофизических параметров: р(] =917 кг/м3; к^ =0.1; /,=2.3x106 Дж/кг. Для заданного состава газа в трубопроводе значение равновесной температуры гидратообразования составляет Т,(р) =282 К (9 °С). Оно достигается при температуре стенки Та в сечении с координатой г, «2 км.

На рис. 2 представлено развитие во времени распределений давления, температуры, толщины гидратного слоя и влагосодержания, как по всей длине трубопровода, так и вблизи участка трубопровода, где достигается максимальная толщина гидратного слоя. Числа на линиях соответствуют времени (в сутках) с момента начала гидратообразования.

В третьей главе с использованием предлагаемой модели численно исследуются некоторые способы предупреждения гидратоотложений, а также рассматриваются задачи диссоциации газогидратов в трубопроводах при снижении давления перекачки и при введении в газовый поток ингибиторов.

(г)

10

30

1.6 г> 2.0

Рис. 2. Развитие профилей давления - (а), (д), температуры - (б), (е), толщины гидратного споя - (в), (ж) и впагосодержания - (?), (з) по всей длине трубопровода - (а) — (г) и вблизи участка с максимальной толщиной газогидратного слоя - (д) - (з). Числа на кривых - время в сутках с момента начала работы трубопровода.

В п.3.1 рассмотрена задача о влиянии электрообогрева на температурный режим внутри трубопровода. Показано, что для поддержания температуры внутренней стенки трубопровода Та на уровне не ниже, чем температура гидратообразования к внешней поверхности

трубопровода достаточно подвести источник тепла, минимальная мощность которого вычисляется по формуле

^т) _ ааО )

а„

х = -

X аа1 +аю

Численное исследование данной задачи показывает, что для трубопровода Сладковской скважины №9 минимальная мощность источника тепла составит = 230 Вт/м2.

В п.3.2 рассмотрена задача о влиянии теплоизоляции на температурный режим и динамику гидратообразования внутри трубопровода.

В п.3.3 рассматривается такой способ профилактики гидратообразования как осушка природного газа.

Для исключения условия, связанного с содержанием жидких капелек в газе, достаточно обеспечить на входе в трубопровод степень сухости газа, удовлетворяющую условию

о / „ \

РоК

г

В п.3.4 рассмотрена задача о разложении газогидратных отложений на внутренней поверхности трубопровода при снижении давления перекачки природного газа. При снижении давления газогидраты становятся неустойчивыми химическими соединениями, что вызывает их разложение, сопровождающееся фазовыми переходами первого рода. При этом процесс протекает с поглощением тепла и тепловой баланс на внутренней поверхности трубопровода (на участке, где имеется гидратный слой) запишется в виде

Ях„ = ЯаЧ

При этом, как и в случае образования газогидратов, полагается, что температура поверхности фазовых переходов Та (которая является одновременно температурой внутренней стенки трубопровода на участке, где имеются газогидраты) равна равновесной температуре гидратообразования Тъ, соответствующей значению давления газа р в потоке (Та = Т^ (р)).

В рамках этой задачи были проведены численные расчеты изменения толщины гидратного слоя со временем.

При расчетах все параметры трубопровода, газа, гидратов и значения коэффициентов брались такие же как и во второй главе. Граничные условия до снижения давления: р0= 3.2 МПа, Т0 =323.15 К, т =0.683 кг/с (1^=0.89

м3/с), к„0 =3х 10'3, после снижения - р0= 1.2 МПа, Т0 =323.15 К, т4 =0.683 кг/с (К, =0.89 м3/с), ки,(1 =3 х 10'3. Для заданного состава газа в трубопроводе значение равновесной температуры гидратообразования до снижения давления составляло Т^р) =282 К (9 °С), после - Т^р) =274 К (1 °С).

На рис.3 представлена эволюция во времени распределений давления, температуры, толщины гидратного слоя и влагосодержания на участке трубопровода, где происходит разложение газогидратов. Числа на кривых соответствуют времени (в сутках) с момента начала снижения давления, пунктирная линия соответствует толщине газогидратного слоя до снижения давления, время образования которого два месяца.

В п.3.5 исследуется такой способ предупреждения гидратообразования как подача в трубопровод метанола. Приводятся физико-химические свойства метанола.

Записываются основные уравнения, описывающие процесс разложения газогидратного слоя на внутренней стенке трубопровода при подаче в него метанола. Система уравнений включает в себя уравнения сохранения массы, тепла, импульсов, а также уравнение, определяющее текущее положение границы «газовый поток - газогидрат», условие «стехиометрии» и постоянства массового расхода газа, формулу, описывающую зависимость равновесной температуры гидратообразования от давления:

~1ь

» Рн '

Л =0 - . и, =»,о =

= Сощ/,

2.4 2.8 3.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3 2 г.км ?»км

(5) (г)

Рис.3 Изменение во времени профилей давления - (а), температуры - (б), толщины гидратного слоя - (в) и влагосодержания - (г) вблизи участка с максимальной толщиной газогидратного слоя.

г \ р

Р, о

+ 71„

Далее анализируются условия образования газогидратов с учетом подачи в трубопровод метанола. В работе предполагается, что температура образования газогидратов зависит от концентрации ингибитора кт, в воде линейно, таким образом, для температуры разложения газогидрата справедливо выражение

т - т —Т к

ш 'в ' т'^т! •

Также получена система уравнений для расчета кт1 и формула для минимального расхода метанола, при котором не происходит образование газогидратных отложений на внутренней стенке трубопровода

Ко = т^КК,1 +0- К ЖКа, ) •

О1-!—I"1-!——I \W~-I-1 10|__,_1.1._)

1.6 2.0 24 2.8 3.2 2.0 24 2.8 3 9

(а) (б)

Рис.4. Изменение толщины гидратного слоя - (а) и содержания метанола в капельках - (б) со временем при подаче в трубопровод метанола. тт0 = 70 кг/сут.

На основе предлагаемой схемы были проведены расчеты разложений газогидратов на внутренних стенках трубопровода в различные моменты времени с начала введения в газовый поток метанола.

На рис.4 приведены результаты расчетов процесса разрушения гидратного слоя, а также соответствующие распределения по трубопроводу массового содержания метанола в капельках кт1. Числа на кривых соответствуют времени (в сутках) с момента начала подачи в газовый поток ингибитора, пунктирная линия соответствует толщине газогидратного слоя до подачи метанола (время образования два месяца).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Исследована динамика накопления и диссоциации газогидратных отложений в действующих газопроводах. Рассмотрено влияние на процесс гидратообразования таких факторов как величина влагосодержания на входе в трубопровод, температура грунта, наличие или отсутствие теплоизоляции. Изучена динамика диссоциации газогидратных отложений при снижении давления перекачки газа и при подаче в газовый поток метанола. Основные

результаты и выводы работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Построена математическая модель, описывающая течение влажного природного газа в трубопроводе, на внутренних стенках которого образуются газогидраты. Установлено, что образование газогидратного слоя приводит к двум конкурирующим между собой эффектам. С одной стороны увеличивающийся со временем слой отложений играет роль дополнительной теплоизоляции, что ведет к снижению и последующей стабилизации интенсивности гидратоотложений. С другой стороны возникновение эффекта адиабатического расширения газа за минимальным сечением трубопровода способствует интенсификации склеротических процессов. Как показывают расчеты, на начальном этапе сказывается влияние первого эффекта, но последующий рост газогидратного слоя приводит к тому, что влияние второго эффекта на интенсивность образования газогидратов в трубопроводе становится решающим.

2. Рассмотрено влияние температуры фунта на процессы, протекающие в трубопроводе. Установлено, что при снижении температуры грунта зона гидратообразования, а следовательно и газогидратный слой, располагается ближе к входному сечению, при этом протяженность гидратных отложений снижается.

3. Рассмотрена задача о разложении газогидратного слоя при снижении давления перекачки природного газа. Показано, что разрушение газогидратной пробки происходит не равномерно, интенсивнее процесс протекает в передней части газогидратного слоя. Причем разложение происходит по тепловому механизму, а его интенсивность определяется температурой на границе газ-гидрат.

Рассмотрена задача о разложении газогидратного слоя при подаче в трубопровод метанола с различным массовым расходом. Установлено, что при незначительном содержании метанола разрушается лишь передняя кромка газогидратного слоя, а на нижних участках газопровода происходит повторное нарастание газогидратной бляшки. В случаях же, когда метанола достаточно, разрушение газогидратов происходит по всей длине склеротических отложений, а повторного нарастания газогидратов не наблюдается.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Уразов P.P., Гильманов С.А. К теории функционирования газопровода при наличии гидратоотложений // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - Уфа: НТРАНСПЭКТ, 2003. - № 62. - с. 76-86.

2. Уразов P.P. Течение газа в цилиндрическом канале при отложении газовых гидратов // Спектральная теория дифференциальных операторов и родственные проблемы. Труды международной научной конференции 24 - 28 июля 2003 г., г. Стерлитамак. Уфа: Гилем, 2003. т.З, с. 182-187.

3. Шагапов В.III., Уразов P.P. Характеристики газопровода при наличии гидратоотложений // Теплофизика высоких температур, 2004, т. 42, №3, с. 461-468.

4. Мусакаев Н.Г., Уразов P.P. Математическое моделирование процесса разложения газогидратного слоя в трубопроводе под воздействием метанола // Сборник трудов «Моделирование технологических процессов нефтедобычи», Вып.5, Тюмень: Изд-во «Вектор-бук», 2005, С. 110-116.

5. Мусакаев Н.Г., Уразов P.P. Процесс разложения газогидратного слоя в трубопроводе при снижении давления перекачки // Сборник трудов «Алгоритмизация и моделирование разработки нефтегазовых месторождений», Тюмень: Изд-во «Вектор-бук», 2005, С. 81-86.

6. Уразов P.P. Динамика накопления газогидратных отложений в действующих газопроводах // Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа/Тезисы докладов//Научно-практическая конференция 25 мая 2005 г. - Уфа: ТРАНСПЭКТ, 2005, с. 135-137.

Уразов Руслан Рубикович

ДИНАМИКА НАКОПЛЕНИЯ И ДИССОЦИАЦИИ ГАЗОГИДРАТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ДЕЙСТВУЮЩИХ ГАЗОПРОВОДАХ

Автореферат на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

»133 14

РНБ Русский фонд

2006Д 10741

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ В ПОДЗЕМНОМ И НАЗЕМНОМ ОБОРУДОВАНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И ТРУБОПРОВОДАХ.

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОПРОВОДА ПРИ НАЛИЧИИ

ГИДРАТООТЛОЖЕНИЙ.

2.1 Определение гидродинамических и теплофизических параметров в газопроводе.

2.1.1 Уравнения масс.

2.1.2 Уравнение импульсов.

2.1.3 Уравнение энергии.

2.1.4 Уравнения состояния.

2.1.5 Приведение системы уравнений к виду, удобному для численного расчета.

2.1.6 Задание начальных и граничных условий.

2.2 Описание процесса отложения твердой фазы на внутренних стенках газопровода.

2.2.1 Некоторые сведения о газогидратах.

2.2.2 Уравнения, описывающие эволюцию твердых отложений

2.2.3 Определение, подверженного склерозу, участка трубопровода.

2.2.4 Схема расчетов.

ГЛАВА 3. НЕКОТОРЫЕ СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ.

3.1 Электрообогрев трубопровода.

3.2 Теплоизоляция труб.

3.3 Осушка газа.

3.4 Снижение давления.

3.5 Подача в трубопровод метанола.

Одним из важнейших аспектов разработки газовых месторождений является выбор технологических и инженерных решений эксплуатации трубопроводов с целыо предотвращения осложнений из-за склеротических процессов, связанных с отложениями газогидратов на внутренние стенки газопроводов. Эти явления, приводящие к снижению дебета трубопроводов и их остановке, зависят не только от гидродинамических и теплофизичсских процессов внутри газопровода, но и от теплового взаимодействия газопровода с окружающей породой. Анализ возможных осложнений при эксплуатации газопровода из-за отложений твердой фазы на его внутренние стенки, разработка различных мероприятий по предотвращению этих отложений, должны опираться на теоретические модели, учитывающие совместное проявление отмеченных процессов (течение газа в трубопроводах при наличии фазовых переходов; отложение твердой фазы на стенки трубопровода; теплообмен трубопровода с окружающей породой).

Однако к настоящему времени отсутствует комплексное математическое описание работы трубопровода; исследование каждого из процессов проводилось без учета влияния других, либо учитывался дополнительно какой-то один фактор. Практика же показывает, что чем шире круг моделируемых процессов и условий их применения, тем точнее и надежнее выполняемые на его основе прогнозы. Все это в конечном итоге и определяет актуальность диссертации.

Цель работы. Разработка теоретической модели процессов, происходящих при эксплуатации газопроводов; изучение на основе модели различных тепловых способов предупреждения гидратообразования в трубопроводе.

Научная новизна. Создана математическая модель работы трубопровода в осложненных условиях и впервые в комплексе учитывающая такие взаимосвязанные обстоятельства, как: течение газа в трубопроводе при наличии фазовых переходов; отложение твердой фазы на стенки трубопровода; теплообмен трубопровода с окружающей породой. Разработан оригинальный метод расчета динамики роста гидратоотложений на стенках трубопровода. Установлено, что гидратоотложение не только пе оказывает стабилизирующего воздействия па темпы своего роста, а напротив, интенсифицирует этот процесс.

Практическая ценность. Построенная в диссертационной работе теоретическая модель может служить основой для компьютерного моделирования работы трубопровода; полученные результаты могут быть использованы при обосновании наиболее эффективных существующих способов и при разработке новых методов предотвращения гидратообразован и й.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием основных положений механики многофазных сред и термодинамики, современным математическим аппаратом, а также сопоставлением полученных численных решений с практическими измерениями.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка литературы, содержащего 73 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе исследована динамика накопления и диссоциации газогидратных отложений в действующих газопроводах. Рассмотрено влияние на процесс гидратообразования таких факторов как величина влагосодержания на входе в трубопровод, температура грунта, наличие или отсутствие теплоизоляции. Изучена динамика диссоциации газогидратных отложений при снижении давления перекачки газа и при подаче в газовый поток метанола. Основные результаты и выводы работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Установлено, что образование газогидратного слоя приводит к двум конкурирующим между собой эффектам. С одной стороны увеличивающийся со временем слой отложений играет роль дополнительной теплоизоляции, что ведет к снижению и последующей стабилизации интенсивности гидратоотложений. С другой стороны возникновение эффекта адиабатического расширения газа за минимальным сечением трубопровода способствует интенсификации склеротических процессов. Как показывают расчеты, на начальном этапе сказывается влияние первого эффекта, но последующий рост газогидратного слоя приводит к тому, что влияние второго эффекта на интенсивность образования газогидратов в трубопроводе становится решающим.

2. Рассмотрено влияние температуры грунта на процессы, протекающие в трубопроводе. Установлено, что при снижении температуры грунта зона гидратообразования, а следовательно и газогидратный слой, располагается ближе к входному сечению, но протяженность гидратных отложений снижается.

3. Рассмотрена задача о разложении газогидратного слоя при снижении давления перекачки природного газа. Показано, что разрушение газогидратной пробки происходит не равномерно, интенсивнее процесс протекает в передней части газогидратного слоя. Причем разложение происходит по тепловому механизму, а его интенсивность определяется температурой на границе газ-гидрат.

4. Рассмотрена задача о разложении газогидратного слоя при подаче в трубопровод метанола с различным массовым расходом. Установлено, что при незначительном содержании метанола разрушается лишь передняя кромка газогидратного слоя, а на нижних участках газопровода происходит повторное нарастание газогидратной бляшки. В случаях же, когда метанола достаточно, разрушение газогидратов происходит по всей длине склеротических отложений, а повторного нарастания газогидратов не наблюдается.

1. Александров А.В., Яковлев В.И. Математическое описание и методы анализа нестационарных процессов в газопроводах. - М.: ВНИИЭгазпром, 1970.-30 с. '

2. Алиев А.Г. Использование пластовой воды в качестве ингибитора гидратов // Реф. сб. «Подготовка и переработка газа и газового конденсата». -М.: ВНИИЭгазпром, 1980.-№ 10.-С. 19-25.

3. Безверхий П.П., Кускова Н.В. и др. Метастабильная область и кривые равновесия фаз при образовании и распаде гидрата метана // Химия в интересах устойчивого развития. 1999. - т.7. - № 6. - с. 643-650.

4. Бекиров Т.М., Шаталов А.Т. Сбор и подготовка к транспорту природных газов. М.: Недра, 1986. - 401 с.

5. Белослудов В.Р., Дядин Ю.А., Лаврентьев М.Ю. Теоретические модели клатратообразования. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1999. -129 с.

6. Билюшов В.М. Математическая модель образования гидратов при течении влажного газа в трубах // Инженерно-физический журнал. 1984. - №1. -с.57-64.

7. Билюшов В.М., Бондарев Э.А., Марон В.И. Процесс образования гидратов с учетом тепло- и массообмена // Инженерно-физический журнал. 1988. -т.55. - №2.

8. Бондарев Э.А. Термогидродинамика образования гидратов в системах добычи и транспорта газа. Докторская диссертация. Новосибирск: Институт теплофизики РАН, 1979.

9. Бондарев Э.А., Габышева Л.Н., Каниболотский М.А. Моделирование образования гидратов при движении газа в трубах // Известия АН СССР. МЖГ. 1982. - № 5. - С. 105.

10. Бондарев Э.А. и др. Термогидродинамика систем добычи и транспорта газа. Новосибирск: Наука, 1988. - 272 с.

11. Бондарев Э.А., Попов В.В. Динамика образования гидратов при добыче природного газа. Международная конференция. Новосибирск, 2001.

12. Бухгалтер Э.Б. Предупреждение и ликвидация газогидратов. -М.: ВНИИгазпром, 1970. 40 с.

13. Бухгалтер Э.Б. Метанол и его использование в газовой промышленности. -М.: Недра, 1986.-238 с.

14. Бык С.Ш., Макогон Ю.Ф., Фомин В.И. Газовые гидраты. М.: Химия, 1980. -296 с.

15. Вятчинин М.Г., Баталин О.Ю., Вафина Н.Г., Щепкина Н.Е. Определение режимов и зон гидратообразования в нефтяных скважинах // Нефтяное хозяйство. 2000. - № 7. - с. 38 - 44.

16. Гриценко А.И., Истомин В.А. Борьба с техногенными газовыми гидратами с использованием ингибиторов // Химия в интересах устойчивого развития. -1998. -т.6. -№ 1. с.102-119.

17. Гриценко А.И., Истомин В.А. и др. Сбор и промысловая подготовка газа на северных месторождениях России. М.: Недра, 1999. - 476 с.

18. Гройсман А.Г. Теплофизические свойства газовых гидратов. Новосибирск: Наука, 1985.-94 с.

19. Гройсман А.Г., Саввин А.З. Адгезионные свойства газовых гидратов // Сборник научных трудов «Природные и техногенные газовые гидраты». -М.: ВНИИГАЗ, 1990. с. 84-93.

20. Гужов А.И., Титов В.Г., Медведев В.Ф., Васильев В.А. Сбор, транспорт и хранение природных углеводородных газов. М.: Недра, 1978. - 401 с.

21. Гумеров Н.А., Федоров К.М. О фазовых диаграммах состояния двухкомпонентных систем в области гидратообразования // Инженерно-физический журнал. 1989. - Т.57. - № 2. - С.ЗЗ 1-342.

22. Дегтярев Б.В., Бухгалтер Э.Б. Борьба с гидратами при эксплуатации газовых скважин в северных районах. М.: Недра, 1976. - 197 с.

23. Захаров М.Ю. Создание методов расчета условий образования твердой фазы (гидратов, парафинов, диоксида углерода) при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. Кандидатская диссертация. Институт нефти и газа РАН, 1988.

24. Инструкция по расчету нормативов потребления метанола для использования в расчетах предельно допустимых или временно согласованных сбросов метанола для объектов ОАО " ГАЗПРОМ". ВРД 391.13-019-2000. Москва: ОАО "ГАЗПРОМ", 2000. - 27 с.

25. Истомин В.А., Квон В.Г., Якушев B.C. Инструкция по инженерным методам расчета условий гидратообразования. М.: ВНИИГаз, 1985.

26. Истомин В.А., Квон В.Г. Методические указания по расчету фазовых равновесий газовых гидратов и предупреждению гидратообразования в системах добычи газа. М.: ВНИИГАЗ, 1985. - 124 с.

27. Истомин В.А., Якушев B.C. Газовые гидраты в природных условиях. М.: Недра, 1992.-235 с.

28. Истомин В.А. Фазовые равновесия и физико-химические свойства газовых гидратов: анализ новых экспериментальных данных. М.: ВНИИЭгазпром, 1992.-41 с.

29. Истомин В.А., Квон В.Г. Взаимосвязь между точкой росы по влаге и газогидратной точкой // Сборник "Природный газ в качестве моторного топлива. Подготовка, переработка и использование газа", 1996. № 1-6. -С.95-100.

30. Истомин В.А. Перспективные направления в технологии предупреждения газовых гидратов // Химия в интересах устойчивого развития. 1998. - т.6. -№ 1. - С.83-92.

31. Истомин В.А. Термодинамика природного газа. М.: ВНИИГАЗ, 1999. -105 с.

32. Истомин В.А. Термодинамическое моделирование газогидратных систем для решения задач добычи газа. Докторская диссертация. ИНХ СО, 1999.

33. Истомин В.А. Физико-химические исследования газовых гидратов: проблемы и перспективы. М.: ИРЦ ГАЗПРОМ, 2000. - 71с.

34. Истомин В.А., Якушев B.C. Исследование газовых гидратов в России // Газовая промышленность. 2001. - №6. - С. 49 -54.

35. Кузнецов Ф.А., Дядин Ю.А., Родионова Т.В. Газовые гидраты -неисчерпаемый источник углеводородного сырья // Российский химический журнал. 1997. - №6. - С.28-34.

36. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Т.VI. - М.: Физматлит, 2003. -732 с.

37. Ларионов В.Р., Федосеев С.М., Иванов Б.Д. Перспективы практического использования газовых гидратов в горном деле. Якутск, 1993. - 224 с.

38. Макогон Ю.Ф., Саркисьянц Г.А. Предупреждение образования гидратов при добыче и транспорте газа. М.: Недра, 1966. - 186 с.

39. Макогон Ю. Ф. Гидраты природных газов. М.: Недра, 1974. - 208 с.

40. Макогон Ю.Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования и использование. М.: Недра, 1985. - 232 с.

41. Макогон Ю.Ф. Природные гидраты: открытие и перспективы // Газовая промышленность. 2001. - № 5. - С. 10-16.

42. Маленко Э.В. Исследование условий образования и разрушения гидратов природного газа и изучение ингибирующего влияния неэлектролитов. -Кандидатская диссертация. Гурьев, Казахская ССР, 1979.

43. Мартинец В.Г., Безверхий П.П. и др. Равновесные и кинетические свойства метановых гидратов // Тезисы докладов конференции "Тепло и массообмен в химической технологии". - Казань, 2000. - С.16-17.

44. Мельников В.П., Нестеров А.Н., Феклистов В.В. Гидратообразование газов в присутствии добавок поверхностно-активных веществ // Химия в интересах устойчивого развития. 1998. -т.6. — №1. — С. 97-102.

45. Механика образования гидратов в газовых потоках /Под ред. Бондарева Э.А. Новосибирск: Наука, 1976. 158 с.

46. Мусаев P.M. Борьба с гидратообразованием при транспорте углеводородных газов. -М.: ВНИИгазпром, 1970.-40 с.

47. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Т.1. М.: Наука, 1987. -464 с.

48. Расулов A.M. Борьба с гидратообразованием // Газовая промышленность. -2002. № 2. - С.50-53.

49. Родионова Т.В., Солдатов Д.В., Дядин Ю.А. Газовые гидраты в экосистеме Земли // Химия в интересах устойчивого развития, 1998.-т.6. -№1.-С.51-74.

50. Сыртланов В.Р., Сыртланова B.C. Теоретическое исследование особенностей образования газовых гидратов в газожидкостных потоках. // Международная конференция. Новосибирск, 2001.

51. Сыртланов В.Р., Шагапов В.Ш. Фронтовая задача о разложении газовых гидратов в пористой среде при высокочастотном электромагнитном излучении // Инженерно-физический журнал. 1998. т.71. - №2. - С.263-267.

52. Сыртланов В.Р., Сыртланова B.C., Шагапов В.Ш. К вопросу расчета течений многокомпонентных смесей в газожидкостных эжекторах // Известия ВУЗов. Нефть и газ. 2003. - №2. - С.25-32.

53. Теплофизические свойства веществ. Под ред. проф. Варгафтика Н.Б. М.: Государственное энергетическое издательство, 1956. - 368 с.

54. Федоров К.М., Вольф А.А. Некоторые задачи о разложении гидратов углеводородных газов в природных пластах // Итоги исследований ТФ ИТПМ СО РАН. Тюмень, 2001. -№ 8. - С. 123-129.

55. Цыпкин Г.Г. О режимах диссоциации газовых гидратов, сосуществующих с газом в природных пластах // Инженерно-физический журнал. 2001. -т. 75.-№5.

56. Чепурский В.Н. Исследование гидратообразования в продуктопроводах и разработка методов борьбы с ними. Кандидатская диссертация. Тюмень, 1994.

57. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1965. 848 с.

58. Bondarev Е.А., Kapitonova Т.А. Simulation of multiphase flow in porous media accompanied by gas hydrate formation and dissociation // Russian Journal of Engineering Thermophysics. 1999. - V. 9. - № 1-2. - P. 83-95.

59. Deaton W. M., Frost E. M. Gas hydrates in natural gas pipelines // American Gas Journal.- 1937.-vol. 146.-№6.-P. 17-21.

60. Hammerschmidt E.G., Ind. Eng. Chem. 26 (1934) 851.

61. Hammerschmidt E. G. Formation of gas hydrates in natural gas transmission lines // Industrial and Engineering Chemistry. 1934. - vol. 26. - №8. - P. 851-855.

62. Hammerschmidt E.G., "Gas hydrates formations. A further study on their prevention and elimination form natural gas pipe lines" Gas, May, 30-34, 94 (1939).

63. Hammerschmidt E. G. Gas hydrates // American gas association monthly. 1936. -vol. 18.-№7.-P. 273-276.

64. Katz, D.L. Prediction of Conditions for Hydrate Formation in Natural Gases // Trans. AIME. 1945. - Vol. 160. - P. 140-149.

65. Kelkar S.K., Selim M.S., and Sloan E.D. Hydrate dissociation rates in pipelines // Fluid Phase Equilibria. 1998. - Vol. 151. -P.371-382.

66. Moshfeghian, M., Maddox, R.N. Method predicts hydrates for high-pressure gas streams // Oil and Gas Journal. 1993. - Vol. 35. - P.78-81.

67. Nielsen R.B., and Bucklin R.W. Why not use methanol for hydrate control // Hydrocarbon Processing. 1983. - P.71-78.

68. Pieroen A.P. Gas hydrates approximate relations between heat of formation, composition and equilibrium temperature lowering by inhibitors // Rec. Trav. Chim.- 1955.-Vol. 74.-P.995-1002.

69. Sloan E.D. Natural Gas Clathrate Hydrates. New York: Marcel Dekker, 1998.

70. Syrtlanov V.R., Syrtlanova V.S. Steady Regimes of Dissociation and Formation of Gas Hydrate in a Porous Media // Proceedings of Int. Conf. on Multiphase Systems. Ufa. - RUSSIA, 2000. - P.459-462.

71. Yousif M.H., and Young, D.B. A simple correlation to predict the hydrate point suppression in drilling fluids // SPE/IADC 25705, Proceeding of the 1993 SPE/IADC Drilling Conference. Amsterdam. - The Netherlands, 1993. - P.287-294.