СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТОВ В ТЕКУЧИХ СРЕДАХ, СОДЕРЖАЩИХ ГАЗ ИЛИ ГАЗОВЫЙ КОНДЕНСАТ
METHOD OF PREVENTING FORMATION OF HYDRATES IN FLUIDS CONTAINING GAS OR GAS CONDENSATE

Данное изобретение относится к способу предотвращения образования гидратов в текучих средах, содержащих газ или газовый конденсат.
Гидраты представляют собой кристаллические соединения, подобные льду, образующиеся при определенных термодинамических условиях в присутствии воды и газа, в которых большое количество газа или газового конденсата (например, метана) заключено внутри кристаллической структуры воды. Термодинамическими условиями, необходимыми для образования гидратов, являются высокое давление и низкая температура, то есть это типичные условия, существующие в глубоководных районах морского дна или, обращаясь к нефтяной и газовой отрасли, при транспортировке углеводородов. Образование гидратов является вероятностным процессом, обычно требующим некоторого времени индукции, которое изменяется в зависимости от термодинамических условий и времени образования гидрата, со скоростью роста, которая может быть очень большой. Неполный перечень газов или конденсированных газов, которые в присутствии воды и при благоприятных окружающих условиях образуют гидраты, приведен в Таблице 1.
Основной подход, который обычно используют для предотвращения образования гидратов в процессах обработки для транспортирования в трубопроводах или на судах для транспортирования сжиженного или сжатого метана, подразумевает создание таких рабочих условий процесса, которые являются неблагоприятными термодинамическими условиями для образования гидратов. Например, создание определенного давления на выходе из трубопровода позволяет изменить рабочее давление в трубопроводе и, в благоприятных случаях, предотвратить образование гидратов. С другой стороны, что касается хранения сжиженного или сжатого метана на судах, уменьшение количества воды, которая содержится в газе, минимизирует риск образования гидратов. Однако имеются ситуации, в которых не всегда возможно создать рабочие условия процесса, позволяющие устранить проблему гидратов. В этих случаях обращаются к применению химических агентов, изменяющих условия образования гидратов. Химические ингибиторы можно классифицировать в двух макро-категориях: термодинамические ингибиторы, которые изменяют термодинамические условия образования гидратов путем снижения температуры их образования, или, в качестве альтернативы, кинетические ингибиторы или препятствующие агломерации агенты, которые замедляют образование или агломерацию гидратов.
Традиционные технологии, такие как, например, применение химических агентов для предотвращения образования гидратов, требуют наличия специфических элементов для введения химикатов, расположенных выше установленных критических точек по ходу технологического процесса; системы извлечения ниже по ходу технологического процесса и секции регенерации для повторного использования химикатов, что требует значительных затрат. Например, в установках, расположенных в открытом море, где обычно имеются подводные трубопроводы или вертикальные трубопроводы, связывающие морскую платформу с подводным месторождением, и где рабочие температуры являются чрезвычайно низкими (близкими к нулю), а давления - высокими из-за глубины, применяют системы гибких шлангов для транспортирования химических ингибиторов в головную часть подводного или вертикального трубопровода для предотвращения образования гидратов при транспортировании. В этих установках необходимо осуществление первой стадии процесса для обработки транспортируемого потока с целью извлечения введенных химических агентов; затем необходимо проводить обработку извлеченных химикатов совместно с их регенерацией для того, чтобы их можно было повторно использовать.
Химические агенты можно классифицировать на две макрокатегории:
- Термодинамические ингибиторы. Эти ингибиторы изменяют термодинамические условия образования, снижая температуру образования. В эту категорию попадает метанол в дополнение к моноэтиленгликолю (МЭГ) или диэтиленгликолю (ДЭГ) и т.д.. Количество зависит от содержания воды и необходимой температуры переохлаждения. Их преимуществом является полная защита установки за счет очень высокой стоимости.
- Кинетические и/или препятствующие агломерации ингибиторы. Эти ингибиторы в настоящее время не очень широко используют из-за сложностей, заключающихся в определении точных количеств, которые требуют проведения обширных экспериментов. Они работают путем замедления кинетики зародышеобразования или, в случае препятствующих агломерации агентов, агломерации больших кристаллов гидратов. Необходимая дозировка значительно ниже, чем для термодинамических ингибиторов. К сожалению, их применение требует знания кинетики образования гидратов в обрабатываемых текучих средах, в отношении времени индукции или скорости роста кристаллов. Эту информацию нелегко получить, если не получать ее экспериментально, и она в значительной степени зависит от химического состава транспортируемой текучей среды, которая, помимо прочего, изменяется по ходу добычи. Кроме того, в случае прекращения работы установки кинетические ингибиторы не гарантируют сохранность установки в случае, если остановка будет продолжительной.
Способы физической природы для ограничения проблем обеспечения «бесперебойного режима подачи потока» в трубопроводах также известны из литературы; они основаны на применении звуковых волн (US 7597148) или электромагнитных волн (US 5625178; US 2002/169345). В частности, в US 5625178 описаны способ и устройство для предотвращения образования гидратов в текучих средах, содержащих водную фазу и углеводороды, посредством электромагнитных волн, имеющих частоты в диапазоне от 1 до 10 ГГц, испускаемых, также периодически, в виде серии импульсов.
Однако описанный здесь способ имеет несколько критических моментов, среди которых:
- необходимость регулировать частоту, которую следует применять, в соответствии с химическим составом текучих сред;
- выбор частоты, с которой следует осуществлять вмешательство, зависит также от размеров трубопровода, так как его используют в качестве волновода для распространения электромагнитного излучения с целью увеличения времени воздействия на находящиеся в нем текучие среды;
- частоты в пределах микроволновой области спектра, с энергетической точки зрения, являются менее эффективными, чем более высокие частоты (например, частоты, относящиеся к инфракрасной области спектра), так как они способны вызывать только вращательные движения молекул, а не колебательные движения, как описано в US 2002/169345.
Авторы настоящего изобретения нашли инновационный способ, который позволяет ингибировать процесс образования гидратов в текучих средах, содержащих газ или газовый конденсат, во всех ситуациях, в которых имеются благоприятные условия благодаря неожиданным возможностям электромагнитных волн, действующих в пределах спектра, начиная от 500 нм до инфракрасного излучения.
Предложенный инновационный способ отличается от известного уровня техники, так как более нет необходимости применять химические добавки; при этом его эффективность основана на использовании электромагнитного излучения в пределах четко определенного диапазона частот. Возможное присутствие добавок не изменяет его эффективности; напротив, могут иметь место преимущества благодаря объединенному эффекту двух воздействий, электромагнитного и химического.
Предполагают, что электромагнитное излучение воздействует на структуру воды на молекулярном уровне, что приводит к замедлению образования гидратов. Это замедление продолжает существовать в течение некоторого периода времени даже без электромагнитного возбуждения, фактически продолжая предохранять оборудование от образования гидратов. Это поведение, типичное для кинетических ингибиторов, обладает тем преимуществом, что оно не требует фазы подготовки, так как достаточно лишь воздействия облучения. В случае кинетических ингибиторов обычно необходима интенсивная in situ фаза подготовки, для определения дозировки, которая минимизирует количество и максимизирует эффекты. Она не является единовременной операцией, а зависит от типа потока, рабочих условий, количества полученной воды и т.д., а все эти условия очевидно изменяются за время эксплуатации скважины.
Более того, данный инновационный способ особенно полезен также в случае ограниченных участков, которые считают критическими, таких как, например, клапаны, изгибы, соединения и т.д.. В этом случае вмешательство ad hoc позволяет решить проблемы без усложнения остальных частей установки и при меньших экономических затратах.
Способ по настоящему изобретению для предотвращения образования гидратов в текучих средах, содержащих газ или газовый конденсат, включает воздействие на указанные текучие среды электромагнитными волнами для предотвращения образования кристаллических связей, которые отвечают за образование указанных гидратов, и отличается тем, что эти электромагнитные волны представляют собой волны, действующие в видимом и инфракрасном диапазоне спектра с длинами волн в диапазоне λ от 500 нм или более до менее 1 мм (от более 300 ГГц до менее или равно 600 ТГц), предпочтительно от 700 нм и более до менее или равно 0,1 мм (от 3 ТГц и более до менее или равно 428 ТГц), более предпочтительно от 700 нм и более до менее или равно 6 мкм (от 50 ТГц или более до менее или равно 428 ТГц).
Среди источников электромагнитного излучения, работающих в пределах инфракрасного спектра, которые можно использовать, с возможным расширением и на видимую область спектра, можно указать, без ограничения, локальные источники светодиодного типа, лазеры непрерывного излучения и/или импульсные лазеры, или удаленные источники, излучение которых переносят к пунктам, представляющим интерес, например, с помощью оптических волокон. Если говорить об импульсных лазерах, особый интерес представляют лазеры, имеющие продолжительность импульса порядка фемтосекунд, которые способны вызывать особенно интересные явления в материале.
Действие электромагнитных волн вызывает изменение молекулярной структуры гидрата, предотвращая его образование или, альтернативно, вызывая его дестабилизацию с высвобождением захваченного газа (например, метана).
Содержащиеся в текучих средах газ или газовый конденсат, способные образовывать гидраты, которые можно назвать, помимо перечисленных в Таблице 1, предпочтительно представляют собой углеводороды, такие как метан, этан, пропан.
Как указанно выше, к текучим средам, содержащим газ или газовый конденсат, с успехом можно добавлять химические добавки, ингибиторы образования гидратов, в частности, термодинамические ингибиторы и/или кинетические ингибиторы, и/или препятствующие агломерации агенты.
Электромагнитные волны могут излучать излучающие станции, которые могут включать по меньшей мере один источник электромагнитного излучения с электроприводом в виде гибкого подводного кабеля и предпочтительно также один или несколько источников света, расположенных внутри трубопровода, посредством которых световое излучение взаимодействует с транспортируемым потоком.
Излучающие станции с успехом можно расположить:
- вдоль трубопроводов, транспортирующих и/или обрабатывающих текучие среды, содержащие газы или газовые конденсаты;
- в подводных трубопроводах и вертикальных стояках, расположенных на шельфе, в установках, которые применяют для транспортировки газов/газовых конденсатов;
- выше и ниже дроссельных заслонок по ходу потока;
- в любом месте установки для сжижения или сжатия метана с целью хранения (например, но не ограничиваясь этим, на судах для транспортирования сжатого или сжиженного газа, в емкостях, в скважинах и/или в поверхностных структурах для транспортирования газа/газовых конденсатов для хранения в месторождениях);
- в любом месте установки для выгрузки и/или транспортирования газа, поступающего из газовозов, емкостей или месторождений сжатого или сжиженного метана.
Дополнительный объект данного изобретения относится к устройству для ингибирования образования гидратов в трубопроводах для транспортирования текучих сред, содержащих газ или газовый конденсат; которое включает одну или более одной расположенных вдоль трубопровода излучающих станций, отстоящих друг от друга на приемлемом расстоянии, при этом каждая излучающая станция содержит источник электромагнитного излучения с электроприводом в виде гибкого подводного кабеля и один или более одного источников светового излучения, посредством которых световое излучение взаимодействует с транспортируемым потоком, находящимся внутри трубопровода.
Мы также обнаружили, что при использовании электромагнитных волн, действующих в пределах видимой и инфракрасной области спектра, гидраты, которые возможно уже образовались в текучих средах, содержащих газ или газовые конденсаты, могут растворяться.
Другой предмет настоящего изобретения относится к способу растворения гидратов, образованных в текучих средах, содержащих газ или газовый конденсат, посредством использования электромагнитных волн, который включает воздействие электромагнитными волнами на указанные текучие среды и отличается тем, что электромагнитные волны представляют собой волны, действующие в пределах видимой и инфракрасной области спектра, заключенной в диапазоне λ от 500 нм и более до менее 0,1 мм (от более 3 ТГц до мене или равно 600 ТГц).
Электромагнитные волны можно также излучать посредством излучающих станций, по существу таких же, как описанные выше для предотвращения образования гидратов, и преимущественно расположенных в тех же точках, также и для растворения гидратов, образованных в текучих средах, содержащих газ или газовые конденсаты.
С использованием Фиг. 1-4, здесь приведено описание примеров воплощения данного изобретения, которые не следует рассматривать как ограниченные этими чертежами.
Один из примеров воплощения данного устройства состоит из серии станций электромагнитного облучения, размещенных вдоль трубопровода, вертикальных трубопроводов или напорных трубопроводов и соответствующим образом отстоящих друг от друга. Каждая станция взаимодействует с транспортируемым потоком, разрушая любое возможное образование гидрата, уже присутствующего в текучей среде, и вызывая разупорядочение молекулярной структуры воды с эффектом ингибирования образования гидратов на некоторый период времени.
Каждая излучающая станция, пример которой приведен на Фиг. 1, состоит из источника электромагнитного (ЕМ) излучения с электроприводом в виде гибкого подводного кабеля (U) и из различных источников света, посредством которых световое излучение взаимодействует с потоком, транспортируемым в трубопроводе/подводном трубопроводе (Р). При определении числа излучающих станций следует учитывать, что оно зависит от:
Термодинамических условий, существующих в ходе транспортирования текучей среды. Если рассматривать, например, вертикальные трубопроводы, то есть средства транспортирования углеводородов из морских скважин на поверхность, то только часть вертикального трубопровода будет вовлечена в явление образования гидратов, обычно средние части, так как именно в этих частях существуют высокие давления и низкие температуры. При этих условиях станции могут быть расположены только в тех частях, которые участвуют в явлении образования гидратов.
- Типа транспортируемой текучей среды, с особой ссылкой на количество воды. Чем выше присутствие воды, тем выше будет вероятность образования гидратов.
- Характера потока, установившегося внутри средств транспортирования. Это зависит от различных факторов, таких как скорость потока, плотность текучей среды, вязкость, диаметр трубопровода, наклон и т.д.. Нерасслоившиеся потоки требуют большего внимания, так как они увеличивают поверхность взаимодействия между газом и водой.
Фиг. 2 и 3 изображают примеры организации источников (I) света для облучения потока в определенной части относительно свойств потока газа (G)/транспортируемой жидкости (L) (Фиг. 2: ламинарный поток; Фиг. 3: турбулентный поток).
Источник электромагнитного излучения взаимодействует, посредством источников света, расположенных вдоль стенок трубопровода, напорного трубопровода или вертикального трубопровода, с транспортируемой текучей средой, ингибируя образование гидратов. В фазе проектирования источников света особенно важно знать тип текучей среды и условия потока для того, чтобы максимизировать освещение на поверхности воды. При рассмотрении описанной ранее инфракрасной рабочей области, диаграмма излучения источников света обычно смещена на несколько градусов в дальнюю инфракрасную область или на сотые доли градуса в дальнюю инфракрасную область, как это имеет место в случае лазеров. Во всех случаях обязательно следует применять рассеивающие линзы, которые позволяют увеличить луч, максимизируя облучаемую область, с двойным преимуществом снижения количества источников света, необходимых для полного освещения текучей среды.
Другая область применения относится к локальному предотвращению в конкретных зонах с высокой вероятностью образования гидратов.
Фиг. 4 изображает пример организации источников света для облучения потока в критической точке, например, которая находится близко к изгибу.
Критическими областями считают клапаны, такие как, например, но не только, дроссельные заслонки, в которых проявляется эффект Джоуля-Томсона; нельзя исключить ответвления, искривления и т.д., то есть все места, где происходит уменьшение сечения, пригодного для потока, что вызывает ускорение текучих сред и, следовательно, изменение давления и температуры. В таком случае обычно происходит снижение температуры и давления, и возможно могут создаваться благоприятные термодинамические условия для образования гидратов. В этом случае облучение, сосредоточенное выше и/или ниже клапана по ходу потока, помогает предотвратить образование гидратов и поддержать правильное функционирование устройства без усложнения или изменения остальных частей установки.