Анализ влияния геоклиматических факторов на образование гидратов в газовых скважинах и газопроводах

Актуальность проблемы Стратегическая задача предприятий по
добыче и транспортировке газа − обеспечение безотказной и безопасной
поставке газа потребителям [1–13]. Надёжная работа магистрального
газопровода (МГ) обусловливается качеством транспортируемого газа, его
влагосодержанием [14–15]. Связанно это с тем, что при течении влажного
газа в трубопроводе (ТП) могут образовываться газовые гидраты (ГГ) –
кристаллические соединения, внешне похожие на снег или лед. В результате
значительно возрастает гидравлическое сопротивление и снижается
пропускная способность ТП вплоть до его полного укупоривания, что, в свою
очередь, помогает появлению аварийных ситуаций, а также нарушает работу
оборудования [16–30]. Из практики транспортировки газа известны случая,
когда протяженность гидратной пробки (ГП) достигала нескольких десятков
метров, прекращалась поставка газа потребителям (предприятиям,
населенным пунктам) [18].
Для разрушения ГП применяются ингибиторы, наиболее
распространенным является метанол [16–20, 23, 26, 28]. Фактический расход
метанола на предприятиях добычи и транспорта газа, как правило, завышен
вследствие его нерационального использования при ликвидации ГП. На
предприятиях добычи и ТП транспорта зачастую нет системы мониторинга и
контроля над процессом образования ГГ [16–20, 22, 23].
На сегодня, нуждаемость в метаноле только на предприятиях ОАО
«Газпром» достигает около 300 тыс. тонн в год [36]. По оценкам,
приведенным в работе [38], объем потребления метанола к 2030 г. в газовой
промышленности России составит более 1 млн. тонн в год. Рост спроса на
метанол сопровождается и увеличением его стоимости. В 2017 г. метанол на
российском рынке продавался по цене от 12000 до 25000 руб/т. Обеспечение
метанолом районов Крайнего Севера увеличивает его стоимость в два раза, а
для некоторых месторождений (Ямбург, Штокмановское, Сахалин–3,
Бованенковское), проблемы с доставкой в зимние периоды повергают к
увеличению стоимости метанола в три раза [36]. По мере увеличения
поставок природного газа, происходит удаление районов добычи газа,
ухудшение гидрогеологических условий их залегания. Для увеличения
эффективности технологии добычи и транспортировки природного газа были
выполнены многочисленные экспериментальные и теоретические
исследования [19–37]. Все же непосредственное использование
предложенных математических моделей затруднено тем обстоятельством,
что они были реализованы с помощью программных комплексов типа
«Альфа», ALGOL-GDR и т.п.
Поэтому актуальна проблема создания на базе упрощенных
математических моделей методического обеспечения, с помощью которого
можно осуществлять мониторинг и диагностику состояния скважин и ТП,
для предупреждения образования гидратов на конкретном участке [19–37].
Использование его позволит выполнять технологические расчёты с
достаточной точностью, определять участки конденсации влаги, выявлять
причины завышенного расхода ингибитора образования ГГ.
Цель работы: создать методическое обеспечение по прогнозированию
образования гидратов в газовых скважинах и ТП, с его помощью выполнить
анализ влияния геоклиматических факторов на добычу и транспортировку
природного газа.
Задачи:
1. Реализация на Турбо Паскале математических моделей образования
гидратов в газовых скважинах, в которых учтено влияние
гидрогеологических условий.
2. Реализация на Турбо Паскале математических моделей образования
гидратов при транспортировке природного газа в ТП, учитывающих влияние
перепадов высот вдоль трассы ТП, теплофизических свойств грунта.
3. Оценка эффективности способов борьбы с образованием гидратов при
добыче и транспортировке газа
Научная новизна
1. Создано методическое обеспечение, позволяющее
прогнозировать участки образования ГГ в скважинах и ТП.
2. Для упрощения нахождения толщины ГС в разные моменты
времени вместо численного интегрирования громоздкого выражения
получена аппроксимационная формула.
3. Осуществлена оценка эффективности перспективных способов
борьбы с образованием ГГ при добыче и транспортировке газа, выбрана
методика расчета удельного расхода метанола.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Разработанное методическое обеспечение планируется
предложить организациям, занимающимся добычей и транспортировкой
природного газа в Томской области.
Обоснованность и достоверность результатов
В ходе реализаций математических моделей были использованы
апробированные численные алгоритмы (Уэддля, Рунге-Кутты, методов
бисекциии, прогонки, интерполяционный многочлен Лагранжа второй
степени). Тестирование их осуществлено сравнением с результатами,
полученными другими исследователями.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Созданное методическое обеспечение, позволяющее
прогнозировать возникновение участков образования ГГ в скважинах и ТП.
2. Аппроксимационная формула для нахождения толщины ГС в
разные моменты времени, упрощающая проведение количественного анализа
определения места образования гидратов в скважине.
Технико-экономическая оценка эффективности перспективных
способов борьбы с образованием ГГ при добыче и транспортировке газа.