СПОСОБ ТРАНСПОРТИРОВКИ ТЕКУЧИХ СРЕД, ТЕПЛОВОЙ НАСОС И РАБОЧАЯ ТЕКУЧАЯ СРЕДА ДЛЯ ТЕПЛОВОГО НАСОСА
METHOD OF FLUID TRANSFER, THERMAL PUMP AND WORKING FLUID THEREFOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области добычи нефти, транспортировки нефти и газа и глубоководной разработки месторождений, но имеет и сферу применений, выходящую за эти области.
Предшествующий уровень техники
1
2
3
Газовые гидраты являются кристаллическими соединениями, образованными в результате физического соединения воды и соответствующих по размеру молекул, например, C, C, С углеводородов или различных комбинаций вышеупомянутых молекул. Известны другие композиции, включающие подходящие вещества «хозяин», отличные от воды, соединенные с подходящими веществами «гость». Такие композиции "гость"/"хозяин", включая вышеупомянутые газовые гидраты, общеизвестны как "клатраты".
Они напоминают лед, но в отличие от льда они могут образовываться при температурах значительно больших, чем температура замерзания воды.
Предотвращение проблем, связанных с образованием газового гидрата, является главным направлением поисковых работ по обеспечению бесперебойного режима подачи потока при добыче и транспортировке нефти и газа.
Существует несколько вариантов действия, применимых для снижения рисков, связанных с образованием гидрата газа, включающих, в частности, дегидратацию (удаление воды из системы), введение термодинамических и/или используемых в малых дозах ингибиторов гидратообразования (кинетических ингибиторов и анти-агломерантов) и изолирование системы или активный подогрев с целью поддерживания производственных эксплуатационных условий системы за пределами зоны стабильности гидрата.
Проблема заключается в том, что все эти варианты действий являются дорогими. Кроме того, в некоторых случаях отсутствуют решения, например в случае выполнения глубоководных или длительных работ по наращиванию.
Промышленность всегда рассматривает воду как источник проблемы образования газового гидрата и всегда старается удалить или уменьшить водную фазу (например, используя внутрискваженные и/или подводные сепараторы воды).
Все существующие в связи с гидратами концепции по обеспечению бесперебойного режима подачи потока основываются на уменьшении или удалении воды, на предотвращении или замедлении гидратообразования.
В последнее время, тем не менее, внедрена новая терминология «хладотекучесть», рекомендованная для решения задачи транспорта нефти или газа без термической обработки, такой как изолирование или активное нагревание, понижающая стоимость прокладки глубоководного трубопровода.
Способ «хладотекучесть» описан в патенте США №6774276. В описанном способе газовые гидраты специально образуются в углеводородных текучих средах для превращения воды (жидкой или парообразной), присутствующей в текучей среде, в твердое состояние в соответствии со специальным способом. Вода, присутствующая в углеводородных текучих средах (которые обычно являются смесями нефть/газ/вода), таким образом удаляется или блокируется в виде твердого гидрата. British Petroleum поддержала проект SINTEF в Норвегии, рассматривающий эту технологию. Их идея основывается на рециклинговом узле для гидратов, и нефть, присутствующая в системе, направляется в обратном направлении выше по потоку с использованием насоса и рециркуляционного обводного трубопровода, так как нефть является дисперсионной фазой. Идея заключается в том, что рециклированные гидратные частички обеспечивают центры парообразования и отвод тепла охлажденной жидкостью (нефтью), облегчается невязкое (сухое) гидратообразование. Утверждается, что гидраты, которые образуются от внутренней области к внешней поверхности (т.е. вокруг предварительно сформированной частицы гидрата), являются сухими и не прилипают друг к другу и, следовательно, являются жидкотекучими, не создавая проблемы образования пробки, которые обычно сопряжены с образованием газового гидрата. Утверждается, что эти сухие гидраты мобильны в дисперсионной нефтяной фазе. Однако с практической точки зрения существует множество трудностей, начиная от проектирования рециклинговых систем и необходимого количества рециклинговых текучих сред и до преодоления изменений в системах текучих сред и пропускной способности трубопровода, сопряженных с осуществлением запуска и остановки. Кроме того, из описания, доступного в литературе, представляется, что метод ограничен системами нефть/конденсат с относительно низкими содержаниями воды в нефти и низкими отношениями газа к нефти и, возможно, не применим к минерализованным системам, так как нет возможности превратить всю воду в гидраты, т.е образовать сухие гидраты. Работа также обсуждается на (http://www.ntnu.no/gemini/2003-06t/28-31.htm и http://remotemonitoringconference.com/pdf/session2_1.pdf).
rd
Альтернативные подходы предотвращения гидратных проблем включают использование антиагломерантных (АА) реагентов. Антиагломерантные реагенты применяются для предотвращения формирования таких гидратных частиц, которые группируются в более крупные частицы или даже образуют твердую пробку, которая может блокировать трубопровод. Антиагломеранты не являются новыми для промышленности. Они подробно описаны в многочисленных публикациях. Антиагломерантный способ был создан Behar с сотр. [Behar, E., Sugier, A., Rojey, A., "Hydrate Formation and Inhibition in Multiphase Flow", представленной на конференции BHRA Conference Operation Consequences of Hedrate Formation and Inhibition Offshore, Granfield UK, November 3, 1988] и Frostman L.M. [(2000), "Anti-Agglomerant Hydrate Inhibitors for prevention of Hydrate plugs in deepwater systems", Annual Technical Conference and exhibition in Dallas, Texas, 1-3 Oct., Frostman L.M., Przybylinski J.L., (2001), "Successful applications of Anti-Aglomerant Hydrate Inhibitor", SPE International Symposium on Oilfield Chemistry, Houston, Texas, 13-16 February].
АА реагенты использованы для предотвращения образования газового гидрата, но только в системах, содержащих жидкую углеводородную фазу (обычно более чем 40%). Существует потребность в присутствии жидкой углеводородной фазы с целью использования имеющихся АА реагентов, потому что их механизм предотвращения образования пробки осуществляется обращением гидрата повсюду в дисперсионной воде.
В результате АА реагенты нелегко применять в системах сухого природного газа или в системах, содержащих небольшие количества углеводородной фазы. Возможно, это обусловлено низкой обводненностью скважинной продукции в газообразных системах, и поэтому создание термодинамических и/или кинетических ингибиторов гидратообразования представляется наиболее эффективным по стоимости вариантом. Кроме того, существующие антиагломеранты возможно не будут работать в системах, где имеется ограниченное количество углеводородной фазы и вода является лимитирующим реагентом.
Дополнительной проблемой, связанной с прокачкой при добыче и транспортировкой углеводородных текучих сред, является «закупоривание» («перемежающийся поток»). В процессе транспортировки мультифазной жидкости, такой как смесь нефть/газ/вода, могут возникать разрозненные потоки, т.е. пробки из жидкой фазы (фаз) могут формироваться в трубопроводе отдельными зонами газа. Эта нестабильная и прерывистая прокачка привносит много факторов риска и может серьезно повлиять на экономические показатели системы производства углеводорода. Например, газовая фаза за жидкой пробкой становится сжатой, потому что транспортировка жидкой пробки требует большего давления позади пробки для обеспечения перемещения. Поступление этого сжатого газа в отвод трубопровода или на эксплуатационную платформу создает сильный газовый приток, угрожающий надежности и безопасной эксплуатации технологического оборудования.
Другой главной проблемой в транспортировке нефти и газа является предотвращение проблем образования газового гидрата при остановках и запусках оборудования. Во многих случаях образование газогидратной пробки происходит при остановках, когда температуры трубопровода падают до очень низких значений, и во время запуска, когда система подвергается воздействию избыточного давления для начала течения жидкости.
Известен способ транспортировки текучих сред, содержащих образующее клатрат газ/соединение в транспортирующей системе, содержащей трубопровод, включающий следующие этапы: приведение текучей среды в трубопроводе к условиям клатратообразования по температуре и давлению, введение в трубопровод достаточного количества вещества «хозяин» для превращения по существу всего газа/соединения в клатрат и образования текучей суспензии, перемещение полученной в результате текучей суспензии по транспортной системе к месту назначения (см. WO 98/017941 A, Е21В 43/34, 30.04.1998).
Однако данный способ не устраняет недостатки ранее описанных технических решений.
Целью настоящего изобретения является создание способов транспортировки текучей среды, содержащей нефть, газ и их смесь, обеспечивающих предотвращение или уменьшение, по меньшей мере, некоторых из вышеупомянутых проблем, создание новых применений клатратов и предотвращение или минимизацию проблем образования газовых гидратов, сопутствующие остановкам и/или запускам, путем формирования стабильного гидрата в нефти или гидратов в водной суспензии, минимизирующего риски, связанные с образованием гидратных пробок.
Согласно изобретению создан способ транспортировки текучих сред, содержащих газ, нефть или их смесь и включающих образующее клатрат газ/соединение в транспортирующей системе, содержащей трубопровод, включающий следующие этапы:
приведение текучей среды в трубопроводе к условиям клатратообразования по температуре и давлению;
введение в трубопровод достаточного количества воды для превращения по существу всего газа/соединения в клатрат и образования текучей суспензии, за исключением того случая, когда достаточное количество воды уже присутствует в текучей среде;
перемещение полученной в результате текучей суспензии по транспортной системе к месту назначения.
Клатрат распадается в месте назначения для регенерации газа или гидратообразующих соединений.
Энтальпия распада клатрата в месте назначения может применяться для охлаждения.
Текучая суспензия может быть гидратом, диспергированным в жидкости, являющейся, по существу, углеводородом, или в жидкости, являющейся в основном водой.
Способ может дополнительно включать этап введения антиагломерантных реагентов в текучую среду, которые могут вводиться в концентрации 1-5 об.% от объема суспензии. Используемые антиагломерантные реагенты могут включать сильноразветвленные кватернизированные алкиламмониевые или фосфониевые соединения по отдельности или в комбинации. По меньшей мере, часть антиагломеранта или другого реагента может рециклироваться для многократного применения.
По меньшей мере, часть воды или других текучих сред может рециклироваться для многократного применения. Трубопровод может быть обводным трубопроводом. Транспортная система может включать кольцевой трубопровод, содержащий поток циркулирующей транспортирующей текучей среды и соединяющий, по меньшей мере, один источник упомянутой текучей среды с, по меньшей мере, одним местом назначения. Циркулирующая транспортирующая текучая среда может быть по существу водой или жидким углеводородом.
По существу весь трубопровод может быть расположен на дне моря.
Согласно изобретению создан тепловой насос, содержащий две, по существу, параллельные и, по существу, вертикальные трубы, сообщенные по текучей среде сверху и снизу с образованием обводного трубопровода, при этом рабочая текучая среда подвергается воздействию избыточного давления в нижней части обводного трубопровода по сравнению с давлением в верхней части обводного трубопровода и включает клатратообразующее вещество "хозяин" и клатратообразующее вещество "гость", которые образуют клатрат и затем распадаются на вещество "хозяин" и вещество "гость" в основном под влиянием изменений давления.
Вещество-хозяин может быть водной текучей средой. Вещество "гость" может быть выбрано из тетрагидрофурана, тетра-н-бутиламмония бромида и других гидратообразующих соединений.
Согласно изобретению создана рабочая текучая среда для теплового насоса, содержащая клатратообразующее вещество "хозяин" и клатратообразующее вещество "гость".
Клатратообразующее вещество "хозяин" может быть водной текучей средой.
Клатратообразующее вещество "гость" может быть выбрано из тетрагидрофурана, тетра-н-бутиламмония бромида и других гидратообразующих соединений.
Следует иметь в виду, что первые два этапа вышеописанного способа могут быть выполнены в любом порядке или даже одновременно в зависимости от системы транспортирования и текучей среды, руководствуясь способом. Например, в случае когда трубопровод системы транспортирования является типичным подводным трубопроводом, используемым для транспорта углеводородов, клатраты будут гидратами. Условия формирования клатрата по температуре и давлению обычно имеются в наличии в трубопроводе. Может быть добавлена вода (если необходимо, в виду того, что основной целью является превращение большего количества или всего количества газовой фазы в гидраты и/или образование пригодной для транспортировки суспензии) в поток углеводородов до того, как он поступает на охладжение, сжатие вне трубопровода, или, наоборот, после попадания его в трубопровод. Другие текучие среды, такие как жидкий углеводород, могут быть добавлены к системе, в особенности в газовую систему и/или системы с высоким значением соотношения газа к нефти, для снижения вязкости гидратной суспензии, содержащей или не содержащей АА реагенты.
Специалист в данной области техники должен знать, как создать подходящие условия по температуре и давлению для облегчения гидратообразования, но подходящие условия и процессы описаны, например, в патенте США №6774276, который может быть изучен читателем.
Посредством превращения в гидрат всего количества или большего количества газа, содержащегося в углеводородной системе текучей среды, достигается ряд эффектов. Объем газообразного компонента углеводородной текучей среды значительно уменьшается. Поскольку, по существу, в системе не остается свободного газа, то устраняются все проблемы, связанные с незапланированным гидратообразованием в процессе транспортировки, особенно по трубопроводу, углеводородных текучих сред.
Возможность закупоривания в мультифазном (газ/жидкость) потоке также устраняется или существенно снижается. Значительные капитальные вложения постоянно инвестируются в устройства для разделения фаз и в другие способы снижения нестабильности, обусловленной закупориванием в проточных системах углеводородной добычи. Поскольку в результате уменьшения/удаления газовой фазы плотности различных оставшихся фаз являются очень близкими, это приводит к уменьшению проблем закупоривания.
Для транспортировки углеводородных текучих сред образовавшаяся жидкотекучая суспензия может состоять из гидрата, диспергированного в жидкости, которая в природе в основном является углеводородом. В альтернативном случае это может быть гидрат, диспергированный в жидкости, которая в основном является водой. В некоторых случаях жидкость будет смесью, которая содержит значительные количества как воды, так и углеводородов.
Тип суспензии может быть выбран в зависимости от состава углеводорода, содержащегося в транспортируемой текучей среде. Если смесь углеводородов в составе имеет существенную долю жидких углеводородов и относительно небольшое количество газа, тогда обычно добавляют только достаточное количество воды для превращения всего или большей части газа в гидрат, поскольку гидрат может быть суспендирован в углеводородной жидкой (нефтяной) фазе.
Однако большее количество воды может быть добавлено для желательного или необходимого улучшения текучести. С другой стороны, если углеводородная текучая среда имеет большую долю газа относительно жидкости, существенный избыток воды добавляется для обеспечения диспергирования гидратных частичек в жидкости, в воде в основном, с образованием жидкотекучей суспензии. Обычно суспензия может включать в свой состав до 10%, 20% или 30% по объему частиц в суспензии. Ожидаемая агломерация клатратов и образование пробок в системе предотвращается применением подходящих антиагломерантов (АА). Впрочем, также можно добавить в систему жидкий углеводород для улучшения транспортируемости гидратной суспензии, содержащей или не содержащей АА. Например, добавленное клатратное вещество "хозяин", например вода, содержащая или не содержащая жидкий углеводород, может содержать антиагломеранты в качестве добавок. Другие добавки, способствующие образованию клатратов и/или модифицирующие их кристаллизационные характеристики, также могут быть добавлены, если это необходимо. Обычно они могут также быть добавлены с веществом "хозяин" или в составе добавляемого вещества "хозяин", особенно если таким веществом является вода. Например, применительно к транспортированию нефти и газа возможные способы введения АА на практике включают, во-первых, способ, в котором вода, содержащая АА и другие добавки, добавляется в зону 'восходящего потока' системы, лучше до приемного терминала или места назначения, и, во-вторых, способ, в котором вода, содержащая АА и другие добавки, подвергается рециклизации в пределах системы, предпочтительной формой которой является обводной трубопровод. Последнее дополнительное средство является предпочтительным дополнительным средством, поскольку оно позволяет минимизировать коэффициент использования химических реагентов и уменьшить степень переохлаждения благодаря присутствию гидратных структур/частиц в циркуляционной воде. Подходящие антиагломеранты включают сильноразветвленные кватернизированные аклиламмониевые или фосфониевые соединения (обычно с дополнительными бромид/хлорид ионами), как это описано Klomp с соавт. в патенте США №5460728.
Полученная в результате смесь гидратов, текучих сред и некоторого количества оставшегося газа («углеводородная текучая среда») затем пропускается через систему. Несмотря на то что вязкость в системе является тестируемым показателем и пониженная вязкость нежелательна, этот способ может иметь хорошие эксплуатационные качества для любой системы при регулировании количества воды, жидкого углеводорода или другого клатратообразующего вещества "хозяин" в системе для получения желаемого результата при условии создания достаточно текучей суспензии.
Минимальное количество воды, которое требуется добавить в систему, зависит от газа в системе и от системных параметров температуры и давления, и вследствие этого есть зависимость от образованной гидратной структуры и числа гидратации, и это может быть выражено следующим образом:
w
2
w
G.n(HO), где G - это количество молей газа и n - это число гидратации.
w
Количество добавленной воды должно быть больше, чем n молей газа для обеспечения максимального превращения газа в гидрат и образования гидратной суспензии с хорошей транспортируемостью. Обычно используется 1-5 об.% АА от водной фазы. Может быть целесообразно рассмотреть добавление жидких углеводородов в систему для улучшения транспортируемости гидратной суспензии в присутствии и в отсутствии АА.
Здесь существуют два противоположных фактора. Увеличение количества воды (и жидкого углеводорода, если это необходимо в системах с высоким соотношением газа к жидкости) повысит общую скорость потока в трубопроводе, но в результате приведет к низкой вязкости гидратной суспензии, а уменьшение количества воды будет иметь положительное влияние на общую скорость потока в трубопроводе, но подразумевается высокое содержание гидрата в суспензии и, следовательно, высокая вязкость. Оптимальные пределы содержания воды (и жидкого углеводорода, если это необходимо) могут и должны, таким образом, быть определены экспериментальными способами и/или объединением экспериментального и моделирующего подходов. Испытания, проведенные в этой лаборатории, показали, что возможно уменьшение наблюдаемой вязкости системы в результате гидратообразования.
2
Этот первый аспект настоящего изобретения может увеличить пропускную способность системы, например, одна единица объема гидрата может вмещать до 175 единиц объема газа при стандартных условиях (т.е. гидратообразование примерно эквивалентно давлению 2250 psia (фунт/дюйм)), и в то же время происходит снижение рабочего давления системы и поэтому стоимости сооружения и эксплуатации системы, поскольку нет потребности в изолировании или подогреве системы.
Также возможно регенерировать/возвращать полностью или частично использованные АА и рециклировать их в систему, и поэтому происходит снижение стоимости реагентов и облегчается решение возможных природоохранных проблем. На приемном терминале, в месте назначения системы или в области 'нисходящего потока' системы гидраты отделяются от воды/жидкой углеводородной фазы. Здесь может использоваться различное технологическое оборудование, которое не является предметом этого изобретения. Один из выбранных вариантов - это применение сепаратора, в котором для осуществления процесса разделения используется разница плотностей гидратов и воды. Также существует возможность ввести поступающую текучую среду в верхнюю часть ситчатой тарелки. Твердые гидраты останутся на верхней части ситчатой тарелки, в то время как вода пройдет сквозь нее и будет собираться в основании сепаратора. Собранная вода (частично или вся) и/или вода (частично или вся), образовавшаяся в результате распада гидрата, может быть рециклирована. Рециркулируемый поток может также содержать жидкие углеводороды для улучшения транспортируемости гидратных кристаллов. Также возможно другое технологическое оборудование для сепарации, например, можно рассмотреть в случае ионных АА использование ионообменных установок, а для полимерных АА использование установок, предназначенных для мембранной фильтрации. Также следует заметить, что часть или все количество циркуляционной воды может происходить из распавшихся гидратов, за исключением случаев, когда решено перевести все гидраты, содержащиеся в системе, в твердое состояние, или гидраты в нефти, или гидраты в водных суспензиях.
Другое потенциальное преимущество может происходить из понижения в общем системном давлении благодаря пониженным скоростям потока и восстановлению давления. В однофазном или мультифазном потоке давление внутри системы понижается в процессе восходящего перемещения текучей среды (текучих сред). Оно восстанавливается (повышается) в однофазном потоке в процессе нисходящего перемещения. В случае газожидкостного потока давление не восстанавливается при нисходящем перемещении, поскольку газовая фаза не сжата. Вследствие этого в однофазовом потоке спад гидростатического давления зависит от различий между входной и выходной высотой над уровнем моря, но в газово-жидкостном потоке спад гидростатического давления является суммированием изменений давления, вызванных всеми подъемами. Кроме того, в потоке газожидкостной текучей среды спад давления, обусловленный внутренним трением, зависит от режима потока и поверхностных скоростей газа и жидкости, который может быть выше, чем однофазные спады давления. В конце концов, существует элемент усиления скачка давления в системах, содержащих газ, который не принимается в расчет в случае потока несжимаемой текучей среды. Скорость потока будет зависеть от плотности текучих сред и от величины общей массы потока. Несмотря на то что плотность гидратной суспензии настоящего изобретения намного больше, чем в случае газожидкостных систем, общая величина массы потока может быть выше, поскольку вода преднамеренно добавлена к системе. В результате скорость зависит от количества добавленной к системе воды, как это обсуждалось ранее, в тех случаях, которые касались связи количества воды с вязкостью системы.
Указанное потенциальное преимущество подтверждено экспериментальными данными проверки влияния образования углеводородных гидратов на транспортируемость текучей среды (путем измерения крутящего момента, приложенного к турбулизатору на испытательном стенде) и расчетами, касающимися взаимосвязи концентрации гидрата в суспензии со спадом давления. Результаты показывают, что газожидкостной гидратообразующий поток в виде гидратной суспензии имеет уменьшенные спады давления по сравнению с двухфазным водно-нефтяным потоком.
Кроме того, поскольку гидратообразование является экзотермическим процессом, тепло, выделившееся в процессе гидратообразования, может использоваться для поддержания благоприятной температуры системы, существенно снижая риски, связанные с парафинообразованием, как это обсуждалось Misra S., Baruah S., Singh K. ["Paraffin problems in crude oil production and transportation - A Review", SPE Production & Facilities, 10 (1): 50-54 FEB 1995], Nenniger J.E., Cutten F.B., Shields S.N. ['Wax Deposition in a WAG Flood', SPE 14688] и Newberry M.E. ['Crude Oil Production and Flowline Pressure Problems', SPE 11561].
В конечном счете, путем рециркуляции части жидкой фазы, которая содержит реагенты (АА, ингибиторы коррозии и образования накипи и другие добавки и им подобные вещества), уменьшается стоимость эксплуатационных расходов, текучая среда действует как транспортирующая среда, доставляющая углеводородные текучие среды от их источников до пунктов назначения.
Гидраты, поступающие на морскую платформу приемного терминала, поверхностные производственные площадки или системы мест назначения, могут затем либо транспортироваться в виде твердых гидратов (сухих или гидратов в нефтяной суспензии, или гидратов в водной суспензии), либо распадаться путем применения тепла и/или сброса давления.
Источником тепла для распада могут быть морская вода или воздух, температуры которых в результате будут понижаться. Этот эффект охлаждения, полученный за счет энтальпии распада клатрата (гидрата), может быть использован. В случае воздуха, получающийся холодный воздух может быть использован для целей воздушного кондиционирования и/или получения чистой воды, поскольку равновестная концентрация воды в воздухе понижается с понижением температуры системы, и поэтому избыточный водяной пар будет конденсироваться в виде чистой воды.
Кольцевой трубопровод с циркулирующей транспортирующей текучей средой может обеспечить высокоэкономичный путь осуществления способа изобретения, особенно когда несколько производственных скважин являются подающими продукцию нефтепромысловыми объектами с эффективным многократным использованием транспортирующей текучей среды. Также возможно постепенно увеличивать количество транспортирующей текучей среды (например, дополнительные подсоединения к кольцевому трубопроводу) до или после подключения новой скважины к кольцевому трубопроводу.
Вышеописанный тепловой насос основывается на способе, в соответствии с которым вода или другое гидратообразующее вещество "хозяин" смешивается с одним или несколькими клатрато- или гидратообразующими соединениями для получения одинарнофазной или близкой к одинарнофазной жидкой фазы в системе (с использованием или без использования реагентов). Указанная рабочая текучая среда затем может использоваться в тепловом насосе. Указанная система предпочтительно представляет собой замкнутый вертикальный или близкий к вертикальному обводной трубопровод, предпочтительно в условиях, когда нижняя часть обводного трубопровода подвергается воздействию низкотемпературной текучей среды (например, в океаническом окружении). В результате чего система изменяется по значениям системных показателей давления и температуры аналогично тому, как это происходит для вертикальных систем или в близких к вертикальным системам из-за их высоты, что может быть искусственно осуществлено и также использовано в этом аспекте настоящего изобретения. Гидратообразующая смесь может циркулировать с помощью насоса, регулирующего скорость потока и синхронность. Гидраты формируются в нижней нагнетаемой части обводного трубопровода из-за возрастания системного давления и предпочтительно при снижении системной температуры. Результатом этой реакции является выделение тепла. Гидраты распадаются в верхней части обводного трубопровода из-за снижения системного давления и потенциального возрастания температуры окружающей среды. В результате этой реакции поглощается тепло из окружающей среды. В результате система работает как гидратный тепловой насос или цикл, который, соответственно, может иметь много применений, включая кондиционирование воздуха, получение чистой воды и передачу тепла на морское дно. Также еще возможно менять участки образования и распада гидратов путем изменения гидратообразующего вещества (вещество "гость"). Путем изменения вещества "гость" можно осуществить образование гидрата как результат повышения давления и осуществить распад гидрата как результат понижения давления.
Гидраты являются твердыми соединениями, образованными в результате комбинаций соответствующих по размеру молекул с гидратообразующими соединениями текучей среды при условиях низкой температуры и высокого давления, их образование является экзотермическим процессом и их распад является эндотермическим процессом. Понижение температуры обычно способствует гидратообразованию, в то время как воздействие давления может зависеть от свойств молекулы вещества "гость".
Этот гидратный насос/цикл предпочтительно создается из замкнутого обводного трубопровода, гидратообразующей смеси жидкость/газ, циркулирующей через "нисходящий" участок, где система подвергается нагнетанию давления, и "возвращающий" участок, где в системе сбрасывается давление.
Это приводит к тому, что система работает как тепловой источник при условиях повышенния давления и как теплопоглотитель в условиях сброса давления, посредством гидратообразования и распада гидратов соответственно.
Гидраты образуются в результате повышения системного давления и понижения системной температуры на нисходящем участке, так как возрастает гидростатическое давление.
Поскольку гидратообразование является экзотермическим процессом, т.е. повышающим температуру системы, оно приводит к потоку тепла от системы к окружающей среде. Эта тепловая энергия может служить для обеспечения теплом установок на дне моря.
Образовавшиеся гидраты затем могут способствовать движению вверх потока текучей среды, поскольку они действуют как подъемный механизм (в случае гидратообразующих соединений с положительной плавучестью) в возвращающем участке, снижая нагрузку на циркуляционный насос.
Гидраты начинают распадаться в верхней части обводного трубопровода из-за понижения гидростатического давления и из-за возможного повышения температуры окружающей среды. Распад гидратов в результате приведет к понижению температуры системы, поскольку распад гидрата является эндотермическим процессом.
Тепло, требуемое для распада гидрата, может быть обеспечено продувающим воздухом. В результате это приведет к понижению температуры выходящего воздуха, который может использоваться для целей кондиционирования воздуха. С другой стороны, понижение температуры воздуха приведет в результате к уменьшению равновесного содержания воды в воздухе. И вследствие этого избыточная вода из входящего воздуха будет конденсироваться, образуя в результате чистую воду.
Перенос энергии от воздуха к распадающимся гидратам в результате приводит к очень низким температурам воздуха, конденсации водяных паров и вследствие этого производству чистой воды.
Насос может использоваться для регулирования скорости потока по степени переохлаждения и времени индукции, обеспечивая то, что гидраты образуются в нужном участке обводного трубопровода. Тем не менее ожидается, что потребляемая мощность всякого насоса должна быть маленькой, поскольку используется тепловой насос с вертикальными нисходящим и возвращающим участками, из-за положительной плавучести гидрата в восходящем участке и отрицательной плавучести холодной воды (и высокой плотности после распада гидрата) в нисходящем участке.
Также возможно использование комбинации насоса и понижающего давление клапана для уменьшения длины обводного трубопровода.
В этом варианте осуществления изобретения насос используется для сжатия системы и образования гидратов (таким образом высвобождается тепло) и понижающие давление клапаны (сужения проходного сечения) используются для понижения давления и распада газовых гидратов (таким образом поглощается тепло). Другое разнообразное оборудование может быть использовано для повышения давления, в том числе вальцовый механизм для компрессирования системы трубопровода, содержащей гидратообразующую смесь.
Могут применяться добавки для обеспечения гидратообразования и предотвращения образования гидратных пробок в системе. Эти добавки состоят из антиагломерантов и соединений, которые активируют кинетику гидратообразования различными путями, включающими повышение растворимости гидратообразующих соединений, смещение именно туда, куда нужно зоны стабильности гидрата и предоставление затравочных кристаллов и центров кристаллообразования для образования гидрата газа. Для замкнутой системы/обводного трубопровода некоторые антиагломеранты (например, некоторые вышеупомянутые коммерческие антиагломеранты) могут быть подходящими для вышеупомянутой системы, потому что они способствуют гидратообразованию (поверхностно-активный эффект) и предотвращают образование пробок.
Нижеследующий документ обсуждает воздействие различных типов добавок на стимулирование скоростей гидратообразования для гидратов природного газа и их накопительную емкость в соответствии с работой: "Effect of additives on formation of natural gas hydrate", C.S. Zhang, S.S. Fan, D.Q. Liang, K.H. Guo. FUEL 83 (16): 2115-2121 NOV 2004.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения
В предпочтительном варианте настоящего изобретения в соответствии с первым аспектом вода (вместе с жидкими углеводородами или без них) осторожно вводится в газ или нефть (т.е. выше точки образования пузырьков) или нефтегазовый (двухфазный) трубопровод, в котором образование гидратов может являться проблемой для превращения большей части или всей газовой фазы трубопровода в гидраты, но где гидратная агломерация и образование пробок трубопровода предотвращается применением антиаглометантов (если это необходимо), для транспортирования газовой фазы в виде гидратов в форме суспензии в трубопроводе и для увеличения пропускной способности и эффективности системы. Добавляемая вода может содержать добавки, способствующие образованию гидратов и/или изменяющие параметры их кристаллизации. АА могут добавляться к водной фазе до или после введения ее в трубопровод. В случае циркуляционного обводного трубопровода АА могут добавляться в восходящий поток для восполнения количественных потерь их в процессе отделения гидрата и транспортирующей текучей среды.
2
Данный вариант осуществления изобретения может потенциально увеличить пропускную способность трубопровода, так как единица объема гидратов может вмещать до 175 единиц объема газа при стандартных условиях (т.е. гидратообразование примерно эквивалентно давлению 2250 psia (фунт/дюйм) ), и в то же время происходит снижение рабочего давления трубопровода и поэтому стоимости сооружения и эксплуатации трубопровода. Кроме того, поскольку нет потребности в изолировании и/или подогреве трубопровода, значительно понижается себестоимость трубопровода.
Также возможно возвращать и регенерировать полностью или частично АА из текучих сред, содержащихся в нисходящем потоке трубопровода, и рециклировать их в систему путем введения в восходящий поток, что с введением в рециклирование других ингибиторов образования накипи и коррозии уменьшает стоимость реагентов и облегчает решение возможных природоохранных проблем. Как объяснялось ранее, гидраты могут отделяться различными путями, которые не являются предметом настоящего изобретения, включая введение суспензии в сепаратор и поверх ситчатой тарелки. Твердые гидраты остануться на верхней части ситчатой тарелки, в то время как вода, содержащая АА и другие добавки, пройдет сквозь тарелку и будет собираться в основании сепаратора.
Альтернативно разница в плотности между гидратами и водой может быть использована для их разделения. Гидраты, образованные из природных газов, обычно легче, чем вода и будут размещаться в верхней части сепаратора.
Морская вода и/или добытая вода могут использоваться для образования гидратов и превращения газовой фазы в гидраты (безусловно, после принятия мер по потенциальным проблемам образования накипи, в случае если происходит смешивание морской воды и образовавшейся в продуктивном пласте воды), а также могут быть транспортирующей текучей средой. Морская вода обычно легко доступна из окружающей среды в открытом море. Нет вреда в использовании соленой воды в качестве транспортирующей текучей среды, и нет необходимости в дорогой дистиллированной воде как раз в случае систем природного газа, где вода в трубопроводе обычно является конденсированной водой. В случае образовавшейся воды продуктивного пласта месторождения она уже является солесодержащей водой. Важно гарантировать содержание соли в лишенной большого количества воды фазе, которое должно быть ниже точки выпадения кристаллов соли из раствора (насыщения), а также и принять меры по проблемам накипи, если смешиваются морская вода и образовавшаяся в продуктивном пласте вода. Этот фактор следует принимать во внимание, когда делается выбор соотношения гидрат/свободная вода в гидратной суспензии. Очевидно, что нежелательно образование твердых кристаллов соли. Это соотношение будет зависеть от солесодержания добытой воды, чем выше солесодержание воды, образовавшейся в продуктивном пласте, тем ниже (будет) максимальное гидратосодержание в гидратной суспензии во избежание кристаллизации соли.
Удаление газовой фазы может существенно улучшить динамику потока и уменьшить падение давления между концами трубопровода. Путем удаления (или существенного уменьшения газовой фазы) система приближается к гомогенному потоку, уменьшается сегрегация и закупоривание в потоке, улучшается восстановление давления в нисходящем потоке и уменьшается падение гидростатической, фрикционной и гравитационной составляющих частей давления. Помимо режима потока, который будет обсуждаться ниже, потенциальные преимущества будут зависеть от топографии трубопровода. Чем больше число перепадов трубопровода вверх и вниз, тем выше преимущество гомогенного потока (т.е. восстановления давления в нисходящем потоке). Что касается спада фрикционного давления, то существует две возможности. Во-первых, в системе нет достаточного количества жидкой углеводородной фазы, т.е. она содержит в своем составе преимущественно газ и конденсированную воду. В этом случае путем превращения всего (или большей части) газа в гидраты получается суспензия вода/гидрат (или вода/жидкий углеводород/гидрат, или гидрат/жидкий углеводород, если жидкий углеводород добавляется к системе). Принимая во внимание плотности воды, жидкого углеводорода и гидратов (которые очень близки друг к другу), система приближается к гомогенной системе, уменьшается риск сегрегации жидкой/твердой фазы, закупоривания и остановки. Во-вторых, в том случае если система имеет значительные количества жидких углеводородов, вследствие превращения всей газовой фазы или ее большей части в гидраты и образования гидратами нефтяной эмульсии или гидратной суспензии в воде и жидкой углеводородной фазе, опять происходит снижение различий в плотностях различных фаз, уменьшая риск сегрегации текучей среды и остановки. Другой аспект настоящего изобретения касается практического устранения спада кинетического энергетического давления, обусловленного образованием текучей среды, близкой к несжимаемой (в сравнении с газовой фазой, которая сильносжимаема).
Другое потенциальное преимущество происходит из уменьшения общего системного давления из-за понижения скоростей потока и восстановления давления, допускающих применение трубопроводов с пониженной толщиной стенок. Кроме того, поскольку гидратообразование является экзотермическим процессом, тепло, выделяющееся в процессе гидратообразования, может использоваться для поддержания температуры системы, очень снижая риск, связанный с парафинообразованием, и уменьшая/устраняя необходимость изоляции трубопровода, снижая стоимость трубопровода, а также и процесса монтажа. Кроме того, риск парафиноотложения на стенках трубопровода в дальнейшем снижается путем механического воздействия текущих твердых гидратных частиц, поскольку они удаляют любые твердые отложения со стенки трубопровода, предотвращая любое уменьшение эффективного диаметра трубопровода и повышение шероховатости его поверхности из-за твердых отложений. Присутствие гидратных кристаллов может также помочь диспергированию парафиновых частиц, снижая риск, связанный с образованием парафиновых пробок. Известно, что увеличение внутренней поверхности трубопровода обычно происходит в результате увеличения спада системного давления.
В варианте осуществления изобретения в соответствии со вторым аспектом изобретения кольцевой трубопровод имеет циркулирующую воду (содержащую или не содержащую жидкий углеводород и добавки), выполняющую функцию транспортирующей текучей среды. В обоих вышеупомянутых примерах осуществления изобретения газ может храниться и транспортироваться в виде гидратов (сухих, гидратов в нефтяной суспензии, гидратов в водяной суспензии), как это предлагается другими исследователями (например, Gudmundsson et.al. ["Hydrate Technology for Capturing Stranded Gas" Ann. NY Acad. Sci. 2000; 912: 403-410]), с использованием или без использования процессов обезвоживания/сушки. Тем не менее, в качестве результата этого изобретения будут существенные сбережения энергии, требуемой в обязательных охлаждающих системах реактора гидратообразования, предложенного вышеупомянутыми исследователями, так как гидраты образуются в морском подводном трубопроводе с использованием холодной морской подводной окружающей среды.
Альтернативно возможно регенерировать газ путем распада гидратов за счет снижения давления и/или нагреванием. Источником тепла может быть вода или воздух. В случае использования воздуха выходящий воздух будет более холодным, чем входящий воздух, что может использоваться для целей кондиционирования воздуха и/или получения чистой конденсированной воды.
В рамках третьего аспекта изобретения вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает применение кольцевого трубопровода вместе с водой (содержащей или не содержащей нефть или другие реагенты) в качестве транспортирующей текучей среды, но гидратообразование активно предотвращается использованием соединений - ингибиторов гидратообразования. Степень переохлаждения и дозировка ингибитора гидратообразования (термодинамического или кинетического) могут быть отрегулированы, минимализированы или исключены совсем путем контролирования концентрации ингибитора в циркулирующей транспортирующей текучей среде, так как термодинамические ингибиторы исключаются из структуры гидрата и так как гидратообразование в результате приводит к возрастанию концентрации ингибитора в высвобожденной воде. Концентрация соли должна быть ниже концентрации образования кристаллов соли (насыщения) для предотвращения отложения соли.
В вариантах осуществления четвертого аспекта настоящего изобретения вода и гидратообразующее(ие) соединение(я) циркулируют в замкнутом обводном трубопроводе, создавая новый гидратный (тепловой) насос/цикл, использующий тепло, генерированное и/или абсорбированное в процессе гидратообразования и распада гидратов соответственно. Образование гидрата является экзотермическим процессом, тогда как его распад требует значительного количества тепла. Гидратообразование может быть инициировано повышением (или понижением для некоторых гидратообразующих соединений) давления и/или понижением температуры. Для распадающихся гидратов необходимо повышать температуру системы и/или понижать (или повышать, в зависимости от типа гидратообразующей системы) ее давление. Несколько способов пригодны для изменения температуры системы и/или давления, включая применение насоса, и/или изменения в гидростатическом давлении, и/или другие средства в сочетании с природными или искусственными изменениями температуры системы.
В одном конкретном варианте осуществления изобретения система устанавливается в океане как вертикальный или близкий к вертикальному замкнутый обводной трубопровод, где скорость циркуляции может регулироваться насосом. Обводной трубопровод имеет нисходящий и восходящий участок и два горизонтальных или наклонных сегмента для способствования образованию и распаду гидрата. Гидраты образуются в основании нисходящего участка благодаря повышению системного давления (идеально сочетающегося с понижением температуры окружающей среды), освобождая тепло, которое можно использовать для нагревательных целей. В процессе восходящего движения понижается гидростатическое давление, и гидраты распадаются в поверхностном надводном сегменте из-за понижения системной температуры. Понижения системной температуры можно достичь путем применения понижающих давление клапанов или ограничителей, уменьшающих длину обводного трубопровода. Распад гидратов требует тепла, и поэтому в результате получается существенное понижение температуры системы, которая может использоваться как охлаждающая система для различных целей, включая кондиционирование воздуха и получение чистой воды, если воздух используется для предоставления необходимого тепла для распада гидрата. Процесс охлаждения воздуха приведет в результате к понижению содержания воды в нем, и поэтому избыточная вода будет конденсироваться и может быть использована для потребления человеком, а также в сельском хозяйстве.
Настоящий способ воспроизводит природный процесс в том смысле, что воздух перемещается в условия низкой температуры и вода конденсируется из него в виде дождя. Проще говоря, он включает охлаждение воздуха, который насыщается или частично насыщается парами воды для того, чтобы конденсировать содержащуюся в нем воду.
Следует отметить, что гидраты (гидраты с положительной плавучестью), образовавшиеся в основании обводного трубопровода, будут сдерживать поток текучей среды, так как они действуют как поднимающий механизм в направлении областей с более низким давлением в возвращающем участке трубопровода. С другой стороны, распадающиеся гидраты в верхней секции обводного трубопровода, как результат понижения давления в трубопроводе, будут в результате приводить к понижению температуры трубопровода, так как распад гидрата является эндотермическим процессом. Он может в результате приводить к возрастанию плотности системы, способствуя нисходящему движению текучей среды. Два вышеупомянутых процесса существенно помогут естественной циркуляции, снижая нагрузку на циркуляционный насос и улучшая экономичность системы.
Для ослабления снижения производительности системы из-за образования свободной газовой фазы при распаде гидрата необходимо применять высокорастворимые гидратообразующие вещества или повышать растворимость клатратообразующего вещества-гостя путем применения добавок и/или эмульсий и/или повышая давление в системе. Потенциальными кандидатами являются тетрагидрофуран (ТГФ) и тетра-н-бутиламмония бромида (ТБАБ) или другие соединения, хорошо растворимые в воде, содержащие/не содержащие другие молекулы-гости. Соотношение между водой и гидратообразующими соединениями регулируется для оптимизации технологического обслуживания гидратной суспензии (спада давления) и общей теплоемкости системы.
2
Важно контролировать гидратообразование в нисходящем участке циркулирующего участка, так как преждевременное гидратообразование может в результате привести к нежелательному всплыванию наверх в случае положительно плавучих соединений (т.е. соединений, для которых плотность их гидратов ниже плотности воды). Понятно, что для отрицательно плавучих соединений (таких как СO), когда их гидраты тяжелее воды, образование гидратов в нисходящем участке облегчается нисходящим движением текучей среды системы, но система нуждается в большей энергии для поднимающего движения. С другой стороны, распад гидратов следует контролировать в восходящем (возвращающем) участке для оптимизации использования энергии для охлаждения.
В данном варианте осуществления изобретения возможно регулировать температуру и посредством этого регулировать скорости гидратообразования (высвобождения тепла) и распада гидрата (холодный конец) путем изменения типа гидратообразователя и также посредством контролирования давления системы, протяженность вертикального участка системы и общую ее протяженность.
Гидратообразование контролируется посредством регулирования давления в обводном трубопроводе для образования и распада гидратов на определенных глубинах при контролировании скорости циркуляции текучей среды, отвода тепла (например, используя изоляцию) и/или типа гидратообразующих соединений.
Различные добавки (например, ускорители гидратообразования, эмульгаторы, гидротропы, анти-агломеранты, поверхностно-активные вещества), а также механические средства, такие как перемешивание, также могут добавочно воздействовать на систему для контроля скорости гидратообразования, размера гидратных частиц и температуры системы в течение распада гидратов.
Требуемое для распада гидратов тепло может быть обеспечено воздухом (или водой), циркулирующими вокруг/внутри системы (или аналогичных конструкций для целей теплообмена), в результате воздух (или вода) приобретают очень низкую температуру, и происходит конденсация водяных паров и вследствие этого получение чистой воды, а также кондиционирование воздуха в случае необходимости.
Необходимое тепло доставляется системе циркулирующим воздухом путем естественной или принудительной конвекции (с помощью вентиляторов или воздуходувок) через систему, которая в результате должна приводить к понижению температуры воздуха и его влагосодержания. Вода конденсируется и отводится как чистая вода, например, через коллекторы или откачкой насосом.
Охлажденный воздух также может использоваться для целей воздушного кондиционирования, поскольку гидраты фактически работают как тепловой насос для транспортирования холода придонного морского слоя на поверхность.
Также можно использовать второй водный обводной трубопровод для охлаждения и даже для замораживания воды (для обессоливания воды или для других целей). Если воздух из окружающей среды очень сухой или если нет возможности извлекать чистую воду, то есть возможность применять воду в качестве охлаждающего агента для распада гидратов. Получающийся в результате охлаждающий агент будет охлажденным, он может передавать холод другой охлаждающей системе.
Другой вариант осуществления изобретения в этом аспекте включает способы обеспечения теплом и энергией подводного оборудования, станций, подводных лодок и им подобных. В этом варианте тепло, выделившееся в результате гидратообразования, может использоваться для теплообеспечения подводного оборудования. И в этом случае это достигается посредством теплопередачи при прохождении холодной придонной морской воды через закрытый циркуляционный обводной трубопровод. Тепло, высвобождаемое в процессе гидратообразования, будет нагревать придонную морскую воду, что в результате приведет к повышению температуры вытекающей воды.
Преимущества настоящего изобретения
В нефтяной промышленности нынешнее изобретение понижает стоимость трубопроводов, устраняя потребность в изолировании трубопроводов или в их активном подогреве. Кроме того, оно потенциально понижает рабочее давление трубопровода и повышает его производительность.
В настоящем изобретении затраты, связанные с введением различных ингибиторов, разумно используются за счет возвращения и циркуляции некоторых из этих ингибиторов.
Настоящее изобретение понижает риски, связанные с парафинообразованием посредством контроля температуры системы в течение экзотермического гидратообразования, а также посредством механического удаления парафиновых частиц с внутренней стенки трубопровода за счет движения твердых гидратных частиц. Кроме того, взаимодействие между парафиновыми и гидратными частицами в результате приведет к более диспергированному осаждению парафина, понижая риски, связанные с образованием парафиновых пробок. Более того, удаление парафиновых отложений со стенок трубопровода понижает их шероховатость, ослабляя спад фрикционного давления.
Настоящее изобретение уменьшает риски, связанные с образованием газогидратных пробок и сопутствующими этому затратами. Оно также понижает риски и затраты, связанные с остановкой и запуском трубопровода, посредством образования стабильных гидратных суспензий.
Настоящее изобретение может устранить риски, связанные с закупориванием и нестабильностью потока, понижая/устраняя потребность в устройствах для разделения фаз и в сопутствующих капитальных затратах. Оно также понижает затраты, связанные с предотвращением коррозии, за счет рециркуляции ингибиторов коррозии и в некоторых случаях уменьшения количества/устранения свободной воды.
Некоторые из существующих технологий, используемых в промышленности, дороги и рискованны. Настоящее изобретение понижает стоимость шельфовой и глубоководной разработки месторождений.
Настоящее изобретение экономически целесообразно и предполагает степень чистоты и гибкость его области применения.
Настоящее изобретение помогает окружающей среде, сокращая и рециклируя гидраты и другие ингибиторы.
Данная инновация может представлять особый интерес для зрелых месторождений, в которых высокое содержание воды в нефти является основной помехой в использовании стандартных технологий предотвращения гидратообразования.
Настоящая инновация может быть особо важна для схем, рассматривающих транспортировку нефти и газа в форме твердых гидратов, так как она полностью исключает стадию и реактор гидратообразования и связанные с ними затраты.
Тепло, требуемое для распада гидрата, может быть предоставлено применением воздуха в качестве нагревающей среды, приведет к кондиционированию воздуха и получению чистой воды.
Вышеупомянутая концепция может использоваться в гидратном тепловом насосе для нагревания и/или охлаждения системы.
Значительное количество работ было предпринято по АА и транспортированию гидратной суспензии в водно-нефтяных эмульсиях. Морфология гидратов, образованных в дисперсионной водной фазе, была изучена с использованием стеклянных микромоделей. Применение имеющихся в наличии АА для контролирования образования гидратной пробки в гидратно-водной суспензии было исследовано с использованием имеющихся в наличии кинетических испытательных стендов. Типичный спад давления, связанный с гидратными суспензиями, был исследован. Результаты показывают, что для некоторых систем нет потребности в АА. Кроме того, результаты показывают, что наблюдаемая вязкость для гидратно-нефтяных систем может быть ниже, чем у водно-нефтяных систем, и эта величина проходит через минимум при построении функциональной зависимости ее от количества гидратов в системе.