Динамика накопления и диссоциации газогидратных отложений в действующих газопроводах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат физико-математических наук Уразов, Руслан Рубикович

• Уразов, Руслан Рубикович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Уразов, Руслан Рубикович

ВВЕДЕНИЕ.

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

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОПРОВОДА ПРИ НАЛИЧИИ

ГИДРАТООТЛОЖЕНИЙ.

2.1 Определение гидродинамических и теплофизических параметров в газопроводе.

2.1.1 Уравнения масс.

2.1.2 Уравнение импульсов.

2.1.3 Уравнение энергии.

2.1.4 Уравнения состояния.

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

2.1.6 Задание начальных и граничных условий.

2.2 Описание процесса отложения твердой фазы на внутренних стенках газопровода.

2.2.1 Некоторые сведения о газогидратах.

2.2.2 Уравнения, описывающие эволюцию твердых отложений

2.2.3 Определение, подверженного склерозу, участка трубопровода.

2.2.4 Схема расчетов.

ГЛАВА 3. НЕКОТОРЫЕ СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ.

3.1 Электрообогрев трубопровода.

3.2 Теплоизоляция труб.

3.3 Осушка газа.

3.4 Снижение давления.

3.5 Подача в трубопровод метанола.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика накопления и диссоциации газогидратных отложений в действующих газопроводах»

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

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Механика жидкости, газа и плазмы», Уразов, Руслан Рубикович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Уразов, Руслан Рубикович, 2005 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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