авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Термодинамическое моделирование фазовых равновесий углеводородных систем с водой и газовыми гидратами для повышения эффективности технологий в добыче газа

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Квон Валерий Герасимович

Термодинамическое моделирование фазовых равновесий углеводородных систем с водой и газовыми гидратами для повышения эффективности технологий В добычЕ газа

Специальность: 25.00.17 Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва-2008

Работа выполнена в обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий – ВНИИГАЗ»

Научный руководитель – Официальные оппоненты: Ведущее предприятие – доктор химических наук, профессор Истомин В.А. доктор технических наук, профессор Васильев Ю.Н. кандидат технических наук Касперович А.Г. Инженерно-технический Центр ООО «Газпром добыча Уренгой»

Защита диссертации состоится «____» _октября_ 2008 г. в «13 30» часов на заседании диссертационного совета Д 511.0001.01 при ООО «ВНИИГАЗ» по адресу: 142717, Московская обл., Ленинский р-н, пос. Развилка, ООО «ВНИИГАЗ»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «ВНИИГАЗ»

Автореферат разослан «____» ______________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д. г.-м. н. Соловьев Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Подготовка к транспорту добытого природного газа на месторождениях Крайнего Севера России, как правило, сопровождается процессом гидратообразования. Для его предотвращения в системах добычи, сбора и подготовки газа используются различные ингибиторы гидратообразования, причем в северных условиях в настоящее время применяется только метанол. На практике фактический расход метанола на газодобывающих предприятиях часто завышен (в ряде случаев на 15 - 20% и более) из-за нерационального использования. В связи с этим необходима разработка целостного подхода к нормированию расхода ингибиторов гидратообразования с обобщением опыта предшествующих научно-технических разработок, учетом внедрения новых технологических процессов в добыче газа и возможности использования современных экспериментальных и промысловых данных по фазовым равновесиям в системах «природный газ – водные растворы химреагентов – углеводородный конденсат – газовые гидраты». Реализация такого методического подхода позволяет проводить технологические расчеты с большей точностью, выявлять и устранять причины завышенного расхода ингибиторов гидратообразования, а также разрабатывать новые технологические приемы, позволяющие сократить расход ингибиторов.

В связи с разработкой инновационных программ газовой промышленности представляется перспективным развитие новых технологий, например, транспорта газа в гидратном состоянии. В частности, эффекты замедленного разложения газовых гидратов (эффекты консервации газогидратов) позволяют в дальнейшем реализовать такие технологии транспорта газа на практике.

Таким образом, термодинамическое моделирование фазовых равновесий углеводородных систем с водой и газовыми гидратами с целью повышения эффективности технологий добычи газа является актуальной темой исследования.

Цель работы совершенствование термодинамических моделей, описывающих условия фазовых равновесий углеводородных систем с водными фазами и газовыми гидратами, для повышения эффективности технологий в добыче газа.

Основные задачи исследования

  1. Анализ существующих экспериментальных данных и методов описания фазовых равновесий углеводородных систем с водными фазами (вода, водные растворы, лед, гидраты) и уточнение соответствующих термодинамических моделей.
  2. Термодинамическое исследование механизмов разложения газовых гидратов для последующего практического использования эффектов самоконсервации и консервации газовых гидратов в газовой промышленности.
  3. Анализ методик нормирования ингибиторов гидратообразования в газовой промышленности и определение путей их совершенствования.
  4. Разработка технических решений, позволяющих сократить расход ингибиторов в системах добычи газа.

Научная новизна

В диссертационной работе уточнены термодинамические модели описания фазовых равновесий в системах «природный газ – водные растворы химреагентов – углеводородный конденсат – газовые гидраты» с использованием новых опубликованных экспериментальных данных.

На основе выполненного термодинамического анализа особенностей разложения газовых гидратов предложена типизация моделей разложения газогидратов и дано термодинамическое обоснование направлений дальнейшего экспериментального изучения механизмов замедленного разложения и консервации газогидратов.

Разработаны инженерные методики расчета расхода ингибиторов гидратообразования для целей нормирования расхода ингибиторов гидратообразования различных типов.

Проведено расчетно-технологическое обоснование различных способов предупреждения гидратообразования в системах добычи газа, позволяющих сократить технологические потери ингибиторов.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Уточненные термодинамические модели фазовых равновесий углеводородных систем с водой и газовыми гидратами, включая метастабильные состояния.
  2. Типизация моделей и механизмов разложения газовых гидратов. Термодинамический анализ механизмов поверхностного разложения гидратов различных газов и обоснование практического использования эффектов замедленного разложения гидратов.
  3. Усовершенствованная методика нормирования ингибиторов гидратообразования, включающая методы оптимизации расхода и способы сокращения технологических потерь ингибиторов гидратообразования.

Практическая значимость результатов работы

При участии автора разработан нормативный документ СТО Газпром ХХХ-2008 «Методика расчета норм расхода химреагентов по газодобывающим предприятиям ОАО "Газпром"», который включает в себя инженерные методы расчета расхода ингибиторов гидратообразования. Методика разработана на основе анализа опыта, методических и промысловых материалов газодобывающих предприятий (ООО «Газпром добыча Уренгой», «Газпром добыча Ямбург» и др.) и ведущих научно-исследовательских и проектных институтов ОАО «Газпром» (ООО «ВНИИГАЗ», ООО «Тюменниигипрогаз» и др.). Уточненная методика расчета расхода ингибиторов гидратообразования и их нормирования основывается на обобщении ряда методических документов: «Методических указаний по расчету фазовых равновесий газовых гидратов и предупреждению гидратообразования в системах добычи газа» (Истомин В.А., Квон В.Г., 1985), «Инструкции по расчету оптимального расхода ингибиторов гидратообразования» (Истомин В.А., Квон В.Г., Бурмистров А.Г., Лакеев В.П., 1987), «Методических рекомендациях по предупреждению гидратообразования на валанжинских УКПГ Уренгойского ГКМ. Части I и II.» (Истомин В.А., Лакеев В.П., Бурмистров А.Г., Квон В.Г. и др., 1990-1991) и др. Использование методики нормирования позволяет сократить расход химреагентов для предотвращения гидратообразования в системах сбора и подготовки газа на Уренгойском, Ямбургском, Заполярном, Юрхаровском и других газоконденсатных месторождениях.

Технологические приемы и способы сокращения потерь ингибиторов гидратообразования, разработанные на основе анализа фактического промыслового материала по Уренгойскому, Ямбургскому и Заполярному ГКМ, целесообразно использовать при проектировании разработки (доразработки) и обустройства газовых и газоконденсатных месторождений.

Результаты термодинамического анализа моделей замедленного разложения газовых гидратов могут найти применение при разработке новых способов борьбы с отложениями гидратов в промысловых системах, а также технологий транспорта и хранения газа в газогидратном состоянии.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: «Пути развития научно-технического прогресса в нефтяной и газовой промышленности» (Грозный, 1986 г.), «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, сентябрь,1995 г.), 2-я Международная Конференция по газовым гидратам (Тулуза, Франция, июнь, 1996 г.), международной конференции «Газовые гидраты в осадочных отложениях: Новое видение природных и синтетических систем» (Лондон, январь, 2006 г.), международной конференции по изучению газовых гидратов (Листвянка, Россия, сентябрь, 2007 г.), научно-практической конференции «Обеспечение эффективного функционирования Уренгойского нефтегазодобывающего комплекса» (Анапа, май, 2008), 6-я Международной Конференции по газовым гидратам (Ванкувер, Канада, июль, 2008 г.), а также на научно-технических семинарах в ООО «ВНИИГаз», ООО «Газпром добыча Уренгой» и ООО «Газпром добыча Ямбург».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в т. ч. 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ; получен один патент.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения; изложена на 148 страницах, содержит 43 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 118 наименований.

Работа проводилась в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ ООО «ВНИИГАЗ».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено обоснование актуальности работы; поставлены цели и задачи; приведены защищаемые положения и указана практическая значимость проведенных исследований.

В первой главе рассматриваются общие подходы к термодинамическому моделированию фазовых равновесий с водой и газовыми гидратами. Отмечено, что удовлетворительное описание парожидкостного равновесия в системе «природный газ – углеводородный конденсат» достигается с использованием единых уравнений состояния. Однако при моделировании равновесий с конденсированными водными фазами (вода, переохлажденная вода, водные растворы ингибиторов, фазы льдов, газовые гидраты нескольких кристаллических структур) представляется целесообразным использование методического подхода с раздельным термодинамическим описанием каждой из контактирующих фаз. Такой подход для термобарических условий промысловой подготовки газа при наличии в системе конденсированных водных фаз имеет ряд преимуществ, в частности, обеспечивает некоторое повышение точности расчета параметров фазового равновесия и удобен для целей нормирования ингибиторов гидратообразования.

Для расчета фазовых равновесий и превращений в промысловых системах необходимо повышение точности расчета летучестей компонентов газовой фазы, включая неуглеводородные компоненты, такие как СО2, Н2S, азот, вода, ингибиторы гидратов (метанол). С этой целью была разработана термодинамическая модель газовой фазы, основанная на модификации уравнении состояния Редлиха–Квонга применительно к многокомпонентной газовой фазе, включающей углеводородные и неуглеводородные компоненты. В данной модификации в уравнении состояния непосредственно используются вторые вириальные коэффициенты по экспериментальным данным (а при их отсутствии - по термодинамическим корреляциям), а также вводятся дополнительные подгоночные параметры (определяемые по коэффициентам сжимаемости газовых смесей при повышенных давлениях). Проведенная параметризация модифицированного уравнения состояния позволила рассчитывать летучести компонентов природного газа, с погрешностью на уровне 1-2% (что в несколько раз точнее, чем, например, при использовании кубического уравнения состояния Пенга–Робинсона). Достоинство рассматриваемой модификации уравнения состояния – возможность легко вносить дополнительные изменения по вторым вириальным коэффициентам при появлении новых экспериментальных данных, недостаток – некоторая громоздкость параметризации, что окупается повышением точности описания свободной энергии Гиббса газовой фазы. Границы эффективной применимости данного уравнения состояния: область температур от минус 40оС до плюс 100-150оС, давлений от 0,1 МПа 12-14 МПа (т.е. для параметров, в основном характерных для промысловой обработки природного газа).

В разработанном в период 1993-1995 гг. комплексе компьютерных программ расчета фазовых равновесий углеводородных систем с водными фазами газогидратная фаза моделировалась на основе классической модели Баррера–Стюарта. Первоначально термодинамика незаполненных газогидратных каркасов описывалась с использованием данных работы Хэнда и Це (1986). В связи с появлением в последние годы в литературе более точных данных по разностям химических потенциалов и энтальпии пустой гидратной решетки гидрата и льда (воды) возникла необходимость в обновлении параметризации модели гидратной фазы, для чего потребовалось «перекалибровать» константы Ленгмюра индивидуальных компонентов природных газовых смесей. К настоящему времени Андерсеном и Тестером (2005) получены новые значения и : для структуры I =1203 Дж/моль, =1170 Дж/моль при Т=273,15 К; для структуры II =1077 Дж/моль, =1294 Дж/моль при Т=273,15 К. Энтальпия фазового перехода лед-вода принята равной 6008 Дж/моль. При использовании новых данных по термодинамике незаполненных гидратных решеток была проведена перенастройка констант Ленгмюра, т.е. адаптация параметров газогидратной фазы под новые данные (это позволило несколько улучшить описание трехфазных равновесий «газ – вода – гидраты» для газовой фазы сложного состава, но не повлияло на описание трехфазных гидратных равновесий с чистыми газами).

На основе вышеописанных моделей автором разработан комплекс программ расчета равновесий природного газа с водными (включая растворы метанола, переохлажденную воду, модификации льда) фазами как для индивидуальных газов-гидратообразователей, так и для смесей газов в области давлений и температур, характерной для практики газовой промышленности. С помощью этого программного комплекса были получены простые и удобные аналитические зависимости условий гидратообразования природных смесей для различных месторождений (в основном для месторождений Крайнего Севера) с целью нормирования расхода ингибиторов гидратообразования в системах сбора и подготовки газа.

С целью уточнения результатов расчетов газогидратных равновесий для газов сложного состава показана возможность использования термодинамических методов сравнительного расчета. В частности, рекомендовано использовать методику эмпирической коррекции термодинамической модели газогидратной фазы с использованием опорной кривой гидратообразования газа сложного состава (за счет дополнительной коррекции параметров незаполненной гидратной решетки и при сохранении неизменными констант Ленгмюра). Подобный метод коррекции описания газогидратных равновесий в своем первоначальном виде был предложен в 70-тые годы Э.Б. Бухгалтером с соавторами и А.Г. Малышевым.

Разработан метод дальней термодинамической экстраполяции экспериментальных данных по трехфазным равновесиям в широком температурном диапазоне как в область отрицательных по Цельсию температур (т.е. «вниз по давлению»), так и для положительных по Цельсию температур («вверх по давлению», до 100 МПа и выше). Из анализа соотношений термодинамической модели газогидратной фазы в предположении, что степени заполнения газогидратных полостей не превышают единицу (т.е. не более одной молекулы на полость) имеющиеся экспериментальные данные, полученные при умеренных давлениях, обрабатываются в координатах: ,

где: f – летучесть компонента, МПа; - разность молярных объемов воды и гидрата, см3; p – давление, МПа; H(p,T) – константа Генри; - кристаллохимические константы (характеризующие тип гидратной структуры).

Аппроксимация данных в этих координатах зависимостью вида (A, B, C – коэффициенты) существенно лучше описывает экспериментальные точки по сравнению со сглаживанием данных в традиционных координатах и позволяет экстраполировать полученную зависимость на дальние области отрицательных и положительных по Цельсию температур. Далее, решая уравнение вида при заданной температуре, находится искомое равновесное давление. Необходимо отметить, что для области высоких давлений требуется корректно определять летучесть газа, сжимаемость воды и растворимость воды в газе. Развиваемый метод экстраполяции опробован на двух газах (метан, азот) и приводит к удовлетворительным результатам в температурном диапазоне определения равновесных условий гидратообразования по метану до ~307 К (до 110 МПа) и по азоту до ~301К (230 МПа). Погрешность расчета сопоставима с экспериментальной погрешностью и составляет ~ 5-6% (по давлению). Предложенный метод расчета трехфазных равновесий применим и для других индивидуальных газов-гидратообразователей.

Далее в главе представлены расчеты равновесия углеводородных систем с водными фазами с целью их последующего анализа применительно к условиям газовой промышленности.

Представлены термодинамические характеристики метастабильных фаз по отношению к гексагональному льду: переохлажденной воды и кубического льда. Кубический лед и переохлажденная вода представляют интерес, поскольку их появление как промежуточных фаз возможно при разложении газовых гидратов. В качестве стандартного здесь задается состояние гексагонального льда при Tо=273,15 К. Термодинамический расчет разности химических потенциалов между гексагональным льдом (а также кубическим) и переохлажденной водой проведен с использованием представленных в литературе экспериментальных данных по термодинамическим свойствам конденсированных водных фаз. Для разности химических потенциалов переохлажденной воды и льда предложена удобная для использования в расчетах фазовых равновесий зависимость, погрешность которой не превышает нескольких процентов (в температурном диапазоне 240 – 273 К). Для разности химических потенциалов кубического и гексагонального льдов использовалась аппроксимация расчетных данных Танака (1996 г.), полученных методом молекулярно-динамического моделирования.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.