Сравнение эффективности ингибиторов гидратообразования кинетического типа и опыт их промышленного применения в ПАО «Оренбургнефть»

УДК 550.8

А.В. Фаресов, А.И. Пономарёв, Е.А. Круглов, А.П. Баряев

Сравнение эффективности ингибиторов гидратообразования кинетического типа и опыт их промышленного применения в ПАО «Оренбургнефть»

Одна из серьезнейших проблем, осложняющих процессы добычи углеводородов на месторождениях природного газа и газонефтяных месторождениях с высоким газовым фактором, - образование газовых гидратов. Для предотвращения гидратообразо-вания традиционно применяют классические ингибиторы термодинамического действия, основными представителями которых являются метанол и гликоли, относящиеся к классу спиртов. Механизм действия ингибиторов гидратообразования термодинамического действия заключается в снижении активности воды в водном растворе и, как следствие, изменении равновесных условий образования гидратов.

В конце прошлого века были разработаны принципиально новые ингибиторы гидратообразования кинетического действия, представляющие собой водорастворимые полимеры, в структуру которых входят атомы азота и кислорода. Выделены два основных механизма ингибирования:

1) боковые группы полимера-ингибитора адсорбируются на поверхности кристалла гидрата посредством водородных связей. Адсорбируясь на кристалле гидрата, полимер способствует разрастанию кристалла вокруг и между нитями полимера с небольшим радиусом кривизны кристалла;

2) ингибиторы стерически блокируют вход и заполнение полости гидрата неполярными растворенными веществами, такими как метан.

Также отмечено небольшое взаимодействие между неполярным растворенным веществом и гидрофобной частью боковых групп ингибитора в модели [1].

Большим преимуществом кинетических ингибиторов гидратообразования (КИГ) стала дозировка, которая кратно ниже дозировок термодинамических ингибиторов. Это позволяет существенно снизить операционные затраты. КИГ также относятся к категории «экологичных», что снижает риски при их транспортировке, хранении и применении. В связи с перечисленными преимуществами в последнее десятилетие КИГ набирают все большую популярность у добывающих компаний при выборе методов борьбы с гидратообразованием. На сегодняшний день на ряде объектов нефтегазодобывающих компаний успешно прошли опытно-промышленные испытания и эффективно применяются ингибиторы гидратообра-зования низкой дозировки [2-7].

Для исследования ингибиторов гидратообразования низкой дозировки на предприятии АО «Опытный завод Нефтехим» разработана установка, представляющая собой термобарокамеру высокого давления (до 30 МПа) емкостью 250 см3 (рис. 1). Камера (ячейка) имеет термостатируемую рубашку с возможностью изменения температуры от -40 до +25 °С. Торцы термобарической камеры снабжены сапфировыми стеклами, через которые в проходящем свете происходит видеофиксация процессов гидратообразования. Давление и температура в камере контролируются датчиками с выводом показателей на компьютер.

В качестве модельного газогидратообразователя была выбрана газовая смесь, состоящая из метана и пропана в соотношении 90/10 соответственно с чистотой компонентов 99,98 %. С целью минимизации влияния состава смеси на конечный результат смесь газов готовилась в объеме, достаточном для всей серии опытов. Для водонасыщенной метан-пропановой смеси был произведен расчет кривой

Ключевые слова:

ингибитор

гидратообразования

низкой дозировки,

газогидрат,

винилпирролидон,

капролактам,

метанол,

СОНГИД-1801А.

Keywords:

low-dosage

hydrate inhibitor,

gas hydrate,

vinylpyrrolidone,

caprolactam,

methanol,

SONHYD-1801A.

Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки: а - блок управления и обработки результатов; б - термобарическая камера; в - газовый баллон и масляный насос

гидратообразования с использованием программного обеспечения Центра газогидратных исследований эдинбургского Университета им. Хериота и Уатта (англ. Heriot-Watt University). Результаты расчетов представлены на рис. 2 и в табл. 1.

Для проведения экспериментов при давлении 5,5 МПа были выбраны три температуры, °C: -4, +3, +10. В качестве ингибиторов гидратообразования испытывались классические кинетические ингибиторы гидрато-

образования - полимеры циклических структур М-винилпирролидона и капролактама; ингибиторы гидратообразования следующего поколения, представляющие собой сополимеры указанных структур со специально подобранными стереорегулярностью и молекулярной массой; а также принципиально новые химические структурные компоненты производства АО «Опытный завод Нефтехим». В качестве реагента сравнения использовался 32%-ный раствор метанола в дистиллирован-

10 9 8 7

I 5

U

н

Д 4

3

2

1

0

-5

0

5

15

20

10

Температура, °С

область, свободная от гидратообразования область гидратообразования

Рис. 2. Расчетная равновесная кривая гидратообразования

25

Таблица 1

Равновесные условия гидратообразования для водонасыщенной метан-пропановой смеси

Температура, °С -10 -5 0 5 10 15 16 17 18 19 20

Давление, МПа 0,393 0,492 0,613 1,191 2,314 4,495 5,134 5,864 6,697 7,648 8,735

ной воде объемом 100 мл. Эксперименты проводились в следующей последовательности:

1) предварительно в опыте без ингибиро-вания метан-пропановой смеси в камеру заливали 100 мл дистиллированной воды;

2) в опытах для тестирования КИГ в ячейку заливался 1%-ный раствор испытываемого КИГ в дистиллированной воде общим объемом 100 мл;

3) воздух из камеры откачивали вакуумным насосом до разрежения 76 мм рт.ст.;

4) включали охлаждение камеры при помощи термостата;

5) в охлажденную камеру под давлением 6 МПа подавали заранее подготовленную газовую смесь;

6) камеру повторно термостатировали в течение 50-70 мин до стабилизации давления в системе. По достижении заданной температуры давление в камере составляло 5,5-5,6 МПа;

7) после установления температуры и давления включался привод для качания ячейки, которое обеспечивает лучшее перемешивание и усреднение компонентов системы.

В результате проведенных испытаний получены данные по эффективности кинетических ингибиторов гидратообразования

(табл. 2, рис. 3, 4), а также проведено сравнение КИГ с метанолом. Эффективность реагентов оценивалась по времени задержки начала гидратообразования в системе.

Время задержки гидратообразования в во-донасыщенной метан-пропановой смеси фиксировалось путем контроля давления в камере. Период задержки процесса гидратообразования характеризуется стабильным давлением. В момент начала гидратообразования наблюдается резкое падение давления в камере, что объясняется переходом газа из газообразной фазы в твердую, также видно влияние температуры на время задержки гидрато-образования (см. рис. 3).

Согласно приведенным данным, ингибитор кинетического типа СОНГИД-1801А, а также стереоспецифический сополимер поли-N-винилпирролидона и поликапролактама являются реагентами, способными эффективно бороться с образованием газогидратов. Использованная в опытах дозировка ингибитора гидратообразования СОНГИД-1801А в 32 раза ниже дозировки метанола при сопоставимом снижении температуры и времени задержки гидратообразования, что доказывает высокую эффективность кинетических ингибиторов гидратообразования.

Таблица 2

Тестирование эффективности ингибиторов гидратообразования

№ эксперимента Образец Концентрация, % Температура, °С Давление, МПа Время тестирования, мин

1 Без применения ингибитора (система «газ-вода») - 10 5,53 234

2 3 5,61 112

3 -4 5,54 -

4 Поли-Ы-винилпирролидон 1 10 5,54 2107

5 3 5,59 416

6 -4 5,57 53

7 Поликапролактам 1 10 5,51 1930

8 3 5,54 349

9 -4 5,59 33

10 Сополимер поли-Ы-винилпирролидона и поликапролактама 1 10 5,56 2400

11 3 5,55 1586

12 -4 5,58 158

13 Метанол 32 10 5,61 2400

14 3 5,54 2400

15 -4 5,55 476

16 СОНГИД-1801А 1 10 5,52 2400

17 3 5,55 2400

18 -4 5,58 626

250

500

750 1000 1250 1500 Время, мин а

1750

2000

2250

250

500

750

1000 1250 Время, мин б

1500

1750

2000

2250

100

200

300 400

Время, мин в

500

600

700

СОНГИД-1801А метанол

сополимер поли-Ы-винилпирролидона и поликапролактама

поли-Ы-винилпирролидон

поликапролактам

без ингибитора

0

0

0

Рис. 3. Оценка эффективности ингибиторов по времени задержки начала гидратообразования в водонасыщенной метан-пропановой смеси при температуре:

а - 10 °С; б - 3 °С; в - (-4) °С.

20 п

О

о СЗ

а

£

а

и Н

16 -

12 -

8 -

4 -

19

19

14

СОНГИД-1801А

сополимер поли-Ы-винил-пирролидона и поликапролактама

поли-Ы-винил-пирролидон

поликапролактам

Рис. 4. Равновесная температура гидратообразования в водонасыщенной метан-пропановой смеси при давлении 5,5 МПа в присутствии ингибиторов

Опытно-промышленные испытания ингибитора гидратообразования СОНГИД-1801А проводились в период с февраля по май 2007 г. на скв. 2653, 2645, 2617, 1341, 1033 Зайкинского месторождения ПАО «Оренбургнефть». В ходе испытаний удалось оптимизировать технологию подачи и дозировки реагента.

Для предотвращения гидратообразования шлейфов скважин от устья до сходного коллектора подачу ингибитора гидратообразования необходимо производить в штуцерную камеру на устье скважины. Это позволяет ингибитору лучше распределяться в газовом потоке, а также предотвращает гидратообразование в штуцерной камере, происходящее в случае снижения температуры окружающей среды ниже -12 °С. Подача реагента должна осуществляться постоянно при помощи дозировочного оборудования. Импульсную трубку подачи

реагента необходимо оснащать обратным клапаном непосредственно перед точкой ввода для предотвращения образования воздушных пробок в трубке и нарушения дозировки.

С июня 2007 г. в ПАО «Оренбургнефть» началось промышленное применение КИГ С0НГИД-1801А (рис. 5). Всего к осложненному фонду было отнесено 16 скв.: 2653, 2645, 2617, 1341, 1033, 800, 801, 802, 2607, 2606, 1032, 564, 1324, 1007, 24, 300.

Согласно рис. 5 до начала опытно-промышленных испытаний и последующего промышленного применения ингибиторов гидрато-образования удельное количество гидратообра-зований на скважину в месяц составляло в среднем 4,6 (скв. х мес.)-1. После внедрения проекта по применению ингибиторов гидратообра-зования в рамках комплексной химизации технологических процессов удельное количество

&

ю о

^ л? « 8 5 §

о X

-

о «

(и о к

X

5

Рис. 5. Технологические результаты применения ингибиторов гидратообразований

в ПАО «Оренбургнефть»

8

7

0

9

8

7

6

гидратообразований составило в среднем за период с июня 2007 г. по январь 2013 г. 0,025 (скв. х мес.)-1. За счет снижения количества отказов скважин по причине гидрато-образования удалось сократить внутрисменные потери нефти и газового конденсата, которые в среднем за месяц составили 130 т и 260 тыс. м3 соответственно, что свидетельствует об эффективности применения КИГ.

Благодаря внедрению проекта по применению ингибиторов низкой дозировки удельные затраты на борьбу с гидратообразованием удалось сократить со 197 до 172 тыс. руб./скв. за счет снижения объемов применяемого реагента по сравнению с метанолом, сокращения затрат на доставку реагента и оптимизации его дозирования.

***

Таким образом, в ходе испытаний определены значения температуры, при которых в течение 24 ч не происходит гидратообразования. Снижение температуры гидратообразования составило:

• для поликапролактама при 1%-ной концентрации - на 7 °С;

• поли-Ы-винилпирролидона при 1%-ной концентрации - на 8 °С;

• сополимера поли-Ы-винилпирролидона и поликапролактама при 1%-ной концентрации - на 14 °С;

• СОНГИДа-1801 А при 1%-ной концентрации - на 19 °С;

• метанола при концентрации 32 % -на 19 °С.

Результаты испытаний показали, что протестированные кинетические ингибиторы гидра-тообразования СОНГИД-1801А и стереоспеци-фичный сополимер поли-Ы-винилпирролидона и поликапролактама являются эффективными реагентами, способными предотвращать гидратообразование в течение нескольких дней и снижать температуру образования гидратов до 19 °С. Установлено, что необходимая дозировка кинетических ингибиторов гидратообра-зования в десятки раз ниже соответствующей дозировки классического термодинамического ингибитора метанола. Это позволяет существенно снизить операционные затраты при защите трубопроводов от газогидратов.

Опыт промышленного применения ингибитора гидратообразования СОНГИД-1801А подтвердил его практическое преимущество по сравнению с метанолом с точки зрения технологических и экономических показателей. В период реализации проекта по замещению метанола ингибитором гидратообра-зования кинетического типа удельное количество гидратообразований сократилось в 180 раз с 4,6 до 0,025 (скв. х мес.)-1. При этом затраты на обработку ингибитором в расчете на одну скважину снизились в 1,15 раза.

Необходимо отметить положительный эффект замены метанола на метанолозамещаю-щие реагенты в аспекте охраны труда и промышленной безопасности, так как переход на применение метанолозамещающих реагентов позволил упростить процедуры хранения и транспортировки реагентов, исключил риски отравлений метанолом персонала и третьих лиц.

Список литературы

1. Mechanism of kinetic hydrate inhibitors / ed. T.Y. Makogon, E.D. Sloan // Proc. of the

4th International Conference on Gas Hydrates. -Yokohama, Japan, 2002.

2. Истомин В.А. Предупреждение и ликвидация газовых гидратов в системах добычи газа / В.А. Истомин, В.Г. Квон. - М.: ИРЦ Газпром, 2004. - 508 с.

3. Истомин В.А. Газовые гидраты в природных условиях / В.А. Истомин, В.С. Якушев. -М.: Недра, 1992. - 236 с.

4. Макогон Ю.Ф. Газовые гидраты, предупреждение их образования

и использование / Ю.Ф. Макогон. - М.: Недра, 1985. - 232 с.

5. Фаресов А.В. Исследование эффективности ингибиторов гидратообразования кинетического типа / А.В. Фаресов,

А.И. Пономарёв // Нефтегазовое дело. - 2013. -Т. 11. - № 4. - С. 86-95.

6. Фаресов А.В. Изучение технологических характеристик ингибиторов гидратообразования кинетического типа при применении и утилизации на объектах нефтегазодобычи / А.В. Фаресов, А.И. Пономарёв // Нефтегазовое дело. - 2014. -Т. 1. - С. 137-147.

7. Кэролл Дж. Гидраты природного газа /

Дж. Кэролл. - М.: Технопресс, 2007. - 316 с.