Гидратные пробки. Метод определения их места расположения по длине трубопровода.

Содержание в газе паров воды в капельном состоянии приводит к неприятным последствиям при сборе и транспортировании этого газа. При контакте газа, имеющего высокое давление, с водным конденсатом образуются гидраты, которые, отлагаясь на стенках газопровода, уменьшают его пропускную способность, а в некоторых случаях приводят к полному прекращению подачи газа.

Гидраты природных газов образуются только при наличии в этих газах паров воды.

Пары воды могут насыщать газ до определенного давления, равного давлению насыщенного водяного пара при данной температуре. Это предельное содержание водяных паров при данной температуре называется точкой росы. Если содержание водяных паров превышает этот предел, то начинается их конденсация, то есть переход в жидкое состояние.

Принято различать абсолютную и относительную влажность газа. Под абсолютной влажностью понимают массовое количество водяных паров, содержащихся в 1 м³ газа при нормальных условиях. Массовое количество водяного пара в газе выражается в г/м³ или в кг на 1000 м³ газа. Под относительной влажностью понимается отношение фактически содержащегося в газе водяного пара к максимально возможному при данных температуре и давлении.

Газовые гидраты представляют собой кристаллические соединения, образуемые ассоциированными молекулами углеводородов и воды. Они внешне напоминают снег или лед.

По структуре газовые гидраты – это клатраты, которые образуются при внедрении молекул газа в пустоты кристаллических структур, составленных из молекул воды.

Различают два типа кристаллической решетки гидратов: структура 1 построена из 46 молекул воды и имеет 8 полостей; структура 2 построена из 136 молекул воды, имеет 16 малых и 8 больших полостей.

Метан, этан, двуокись углерода образуют гидраты первой структуры. При этом идеальная формула гидрата будет 8М46 Н₂О (М – молекула гидратообразователя ).

Метан образует гидрат, имеющий формулу СН₄6Н₂О. Массовое содержание метана в составе гидрата составляет 12,9 %. Для связывания 1 кг метана в гидрат, соответствующий указанной формуле, требуется 6,75 кг воды. При добыче и обработке газов образуются смешанные типы гидратов. Установлено, что пропан и изобутан наиболее склонны к гидратообразованию.

Для образования гидратов необходимы наличие капельной воды и определенный термодинамический режим в системе. Наличие воды в жидкой фазе хотя и является обязательным условием, но недостаточно для образования гидратов. Образование гидратов происходит при определенных температурах и давлениях и зависит от состава газа. Для предупреждения гидратообразования необходимо снизить давление газа или повысить его температуру.

При снижении давления влагоемкость газа повышается, и он становится недонасыщенным при заданной температуре. Поэтому не происходит конденсации водяных паров и выпадения капельной влаги.

Ликвидация гидратов снижением давления связана с выбросом газа в атмосферу или снижением пропускной способности газопровода. Поэтому применение этого способа ограничено. Его нельзя использовать при температурах ниже 0 °С, так как вода, образовавшаяся в результате разложения гидратов, может замерзать и образовывать ледяные пробки.

Разложение гидратов подогревом системы применяют для обеспечения работы дроссельных устройств, теплообменников и коротких участков газопроводов.

Для предотвращения гидратообразования широко применяют ингибирование газа специальными реагентами подачей их в поток. В качестве ингибиторов можно использовать водные растворы метанола, гликолей, гликолевых эфиров, некоторых солей.

Водные растворы ди- и триэтиленгликолей в качестве ингибитора предпочтительно применять до температур – 10 °С. При низких температурах разделение гликолевого раствора и углеводородного конденсата происходит очень трудно.

Водные растворы этиленгликоля (ЭГа) можно использовать при температуре – 35 °С. При более низких температурах он становится трудно перекачиваемым, часть раствора постепенно накапливается в трубопроводах, что увеличивает потери давления на установке.

При температурах ниже – 40 °С в качестве ингибитора для предупреждения гидратообразования рекомендуется применять метанол.

Иногда возможно также применение комбинированных ингибиторов, состоящих из нескольких веществ. К ним можно отнести смеси гликоля с метанолом и бутиллактоном (БЛО), метилпирролидоном и так далее.

Для борьбы с гидратообразованием используют этилкарбитол, являющийся побочным продуктом производства эфиров гликолей. Этилкарбитол в основном состоит из моноэтилового эфира диэтиленгликоля и этиленгликоля (около 95 %), в состав раствора входят также ДЭГ (1 %), этилцеллозоли, пропиленгликоль и вода. Этилкарбитол – прозрачная, бесцветная жидкость с температурой замерзания – 60 °С и кипения 202 °С. Плотность при 20 °С составляет 0,99 кг/л и вязкость – 4,5 МПас.

При проектировании систем добычи, сбора и обработки газов необходимо принять во внимание следующее:

а) ввиду большой вязкости и плотности, гликоли склонны к скоплению в отдельных неровных участках шлейфовых газопроводов, образуя так называемые «застойные зоны», что приводит к уменьшению свободного сечения газопроводов и, следовательно, к увеличению их гидравлических потерь; при использовании водных растворов метанола вероятность образования «застойных зон» мала, поэтому в скважины и шлейфы чаще всего подают водные растворы метанола;

б) метанол более летуч, ввиду чего его потери в газовой фазе на два порядка больше, чем потери гликолей;

в) из-за низкой температуры застывания метанола и его растворов хранение их в условиях Крайнего Севера требует меньше эксплуатационных затрат, чем хранение ДЭГа и его растворов; кроме того, метанол в 7 – 8 раз дешевле, чем гликоли.

На практике для борьбы с гидратообразованием в стволах скважин и шлейфах газопроводов используют водные растворы метанола. Растворы гликолей применяют для обеспечения безгидратной работы установок низкотемпературной сепарации (НТС).

Метанол представляет собой бесцветную прозрачную жидкость плотностью 0,81 и молекулярной массы 32,04. С водой смешивается в любых отношениях. Упругость паров метанола при температуре 20 °С составляет 11864 Па. Температура кипения при атмосферном давлении равна 64,7 °С, а температура замерзания – 97,1 °С.