Extracción de metano a partir de hidratos de gas. Evaluación de expertos de las reservas mundiales modernas de depósitos acuáticos de hidratos de gas

14. Hidratos gases naturales

1. CONTENIDO DE HUMEDAD DE LOS GASES NATURALES

El gas en condiciones de presiones y temperaturas de formación está saturado con vapor de agua, ya que las rocas que contienen gas siempre contienen agua asociada, de fondo o marginal. A medida que el gas fluye a través del pozo, la presión y la temperatura disminuyen. Con una disminución de la temperatura, la cantidad de vapor de agua en la fase gaseosa también disminuye y, por el contrario, con una disminución de la presión, aumenta el contenido de humedad en el gas. El contenido de humedad del gas natural en el yacimiento también aumenta con una caída en la presión del yacimiento a medida que se desarrolla el campo.

Usualmente El contenido de humedad de un gas se expresa como la relación entre la masa de vapor de agua contenida en una unidad de masa de gas y una unidad de masa de gas seco (contenido de humedad en masa) o en el número de moles de vapor de agua por mol de gas seco. (contenido de humedad molar).

En la práctica, la humedad absoluta se usa con más frecuencia, es decir, Expresar la masa de vapor de agua por unidad de volumen de gas, reducida a condiciones normales (0°C y 0,1 MPa). Humedad absoluta W medido en g / m 3 o kg por 1000 m 3.

Humedad relativa- esto se expresa en porcentajes (o fracciones de una unidad) la relación de la cantidad de vapor de agua contenida en una unidad de volumen de una mezcla de gases a la cantidad de vapor de agua en el mismo volumen y a las mismas temperaturas y presión en plena saturación . La saturación total se estima en 100%.

Los factores que determinan el contenido de humedad de los gases naturales incluyen la presión, la temperatura, la composición del gas, así como la cantidad de sales disueltas en el agua en contacto con el gas. El contenido de humedad de los gases naturales se determina experimentalmente, según ecuaciones analíticas o según nomogramas compilados a partir de datos experimentales o por cálculo.

En la fig. 1 muestra uno de estos nomogramas, construido como resultado de la generalización de datos experimentales sobre la determinación del contenido de humedad de los gases en un amplio rango de presiones y temperaturas del contenido de equilibrio de vapor de agua en kg por 1000 m 3 de gas natural con una densidad relativa de 0,6, que no contiene nitrógeno y está en contacto con agua dulce. La línea de formación de hidratos limita el área de equilibrio del vapor de agua sobre el hidrato. Debajo de la línea de formación de hidratos, se dan los valores de humedad para las condiciones de equilibrio metaestable de vapor de agua sobre agua sobreenfriada.

Arroz. 1 Nomograma de vapor de agua en equilibrio para gas en contacto con agua dulce.

De acuerdo con los datos experimentales sobre el efecto de la composición del gas en su contenido de humedad, vemos que la presencia de dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno en los gases aumenta su contenido de humedad. La presencia de nitrógeno en el gas conduce a una disminución del contenido de humedad, ya que este componente ayuda a reducir la desviación de la mezcla de gases de las leyes de un gas ideal y es menos soluble en agua.

A medida que aumenta la densidad (o el peso molecular de un gas), el contenido de humedad del gas disminuye. Cabe señalar que los gases diferentes formulaciones puede tener la misma densidad. Si se produce un aumento en su densidad debido a un aumento en la cantidad de hidrocarburos pesados, entonces la disminución en el contenido de humedad se explica por la interacción de las moléculas de estos hidrocarburos con las moléculas de agua, que es especialmente notable cuando presiones elevadas.

La presencia de sales disueltas en el agua de formación reduce el contenido de humedad del gas, ya que cuando las sales se disuelven en agua, la presión parcial de vapor de agua disminuye. Cuando la salinidad del agua de formación es inferior al 2,5 % (25 g/l), el contenido de humedad del gas disminuye en un 5 %, lo que permite no utilizar factores de corrección, ya que el error está dentro de los límites de determinación del contenido de humedad según el nomograma (ver Fig. 1).

2. COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS HIDRATOS

Gas natural saturado con vapor de agua presión alta ya cierta temperatura positiva es capaz de formar compuestos sólidos con agua - hidratos.

Durante el desarrollo de la mayoría de los campos de gas y gas condensado, surge el problema de combatir la formación de hidratos. Significado especial esta emisión adquiere durante el desarrollo de depósitos en Siberia Occidental y el Extremo Norte. Las bajas temperaturas de los yacimientos y las duras condiciones climáticas de estas áreas crean condiciones favorables para la formación de hidratos no solo en pozos y gasoductos, sino también en los yacimientos, lo que resulta en la formación de depósitos de hidratos de gas.

Los hidratos de gases naturales son un compuesto fisicoquímico inestable de agua con hidrocarburos, que se descompone en gas y agua con un aumento de temperatura o una disminución de presión. Por apariencia- Esta es una masa cristalina blanca, similar al hielo o la nieve.

Los hidratos se refieren a sustancias en las que las moléculas de un componente están ubicadas en cavidades reticulares entre los sitios de las moléculas asociadas de otro componente. Dichos compuestos generalmente se denominan soluciones sólidas intersticiales y, a veces, compuestos de inclusión.

Las moléculas de formadores de hidratos en las cavidades entre los nodos de las moléculas de agua asociadas de la red de hidratos son retenidas por fuerzas de atracción de van der Waals. Los hidratos se forman en forma de dos estructuras, cuyas cavidades están parcial o completamente llenas de moléculas formadoras de hidratos (Fig. 2). En la estructura I, 46 moléculas de agua forman dos cavidades con un diámetro interior de 5,2 x 10 -10 m y seis cavidades con un diámetro interior de 5,9 x 10 -10 m En la estructura II, 136 moléculas de agua forman ocho cavidades grandes con un diámetro interior de 6,9 10 -10 m y dieciséis cavidades pequeñas con diámetro interior 4,8 10 -10 m.

Arroz. Fig. 2. Estructura de la formación de hidratos: a – tipo I; b-tipo II

Cuando se llenan ocho cavidades de la red de hidratos, la composición de hidratos de estructura I se expresa mediante la fórmula 8M-46N 2 O o M-5.75N 2 O, donde M es formador de hidratos. Si solo se llenan las cavidades grandes, la fórmula se verá como 6M-46H 2 O o M-7.67 H 2 O. Cuando se llenan ocho cavidades de la red de hidratos, la composición de los hidratos de estructura II se expresa mediante la fórmula 8M136 H 2 O o M17H2O.

Fórmulas de hidratos de componentes del gas natural: CH46H2O; C2H68H2O; C3H817H2O; i-C4H1017H2O; H2S6H2O; N26H2O; CO 2 6H 2 O. Estas fórmulas de hidratos de gas corresponden a condiciones ideales, es decir, tales condiciones en las que todas las cavidades grandes y pequeñas de la red de hidratos se llenan al 100%. En la práctica, existen hidratos mixtos que consisten en estructuras I y II.

Condiciones para la formación de hidratos.

Una idea de las condiciones para la formación de hidratos la da el diagrama de fase de equilibrio heterogéneo construido para sistemas M-H 2 O (Fig. 3).

Arroz. 3. Diagrama del estado de fase de hidratos de varias densidades relativas

En el punto Con hay cuatro fases simultáneamente (/, //, ///, VI): un formador de hidratos gaseoso, una solución líquida de un formador de hidratos en agua, una solución de agua en un formador de hidratos y un hidrato. En el punto de intersección de las curvas 1 y 2 sistema invariante correspondiente, es imposible cambiar la temperatura, la presión o la composición del sistema sin la desaparición de una de las fases. A todas las temperaturas por encima del valor correspondiente en el punto Con el hidrato no puede existir, por grande que sea la presión. Por lo tanto, el punto C se considera como un punto crítico para la formación de hidratos. En el punto de intersección de las curvas 2 y 3 (punto EN) aparece un segundo punto invariable, en el que existe un formador de hidrato gaseoso, una solución líquida del formador de hidrato en agua, hidrato y hielo.

De este diagrama se deduce que sistema M-N 2 O, la formación de hidratos es posible mediante los siguientes procesos:

METRO gramo + metro(H2O) w ↔M metro(H2O) tv;

METRO gramo + metro(H2O) TV ↔M metro(H2O) tv;

M f + metro(H2O) w ↔M metro(H2O) tv;

M tv + metro(H2O) TV ↔M metro(H2O) tv;

Aquí M g, M f, M tv es el símbolo del formador de hidrato, respectivamente, gaseoso, líquido y sólido; (H 2 O) w, (H 2 O) TV - moléculas de agua líquida y sólida (hielo), respectivamente; t- el número de moléculas de agua en el hidrato.

Para educacion hidratos, es necesario que la presión parcial del vapor de agua sobre el hidrato sea mayor que la elasticidad de estos vapores en la composición del hidrato. El cambio en la temperatura de formación de hidratos está influenciado por: la composición del formador de hidratos, la pureza del agua, la turbulencia, la presencia de centros de cristalización, etc.

En la práctica, las condiciones para la formación de hidratos se determinan utilizando gráficos de equilibrio (Fig. 4) o por cálculo, mediante constantes de equilibrio y mediante el método gráfico-analítico según la ecuación de Barrera-Stewart.

Arroz. 4. Curvas de equilibrio para la formación de hidratos de gas natural en función de la temperatura y la presión

De la fig. 4 se deduce que cuanto mayor sea la densidad del gas, mayor será la temperatura de formación de hidratos. Sin embargo, observamos que con el aumento de la densidad del gas, la temperatura de formación de hidratos no siempre aumenta. El gas natural con baja densidad puede formar hidratos a mayor altas temperaturas, cómo gas natural con mayor densidad. Si los componentes que no forman hidratos influyen en el aumento de la densidad del gas natural, entonces la temperatura de formación de hidratos disminuye. Si están involucrados diferentes componentes formadores de hidratos, entonces la temperatura de formación de hidratos será mayor para la composición del gas en la que predominan los componentes con mayor estabilidad.

Las condiciones para la formación de hidratos de gas natural según las constantes de equilibrio están determinadas por la fórmula: z= y/K, donde z, y– la fracción molar del componente, respectivamente, en la composición del hidrato y la fase gaseosa; PARA - equilibrio constante.

Los parámetros de equilibrio de la formación de hidratos de acuerdo con las constantes de equilibrio a temperatura y presión dadas se calculan como sigue. Primero, se encuentran las constantes para cada componente, y luego las fracciones molares del componente se dividen por la constante encontrada de su equilibrio, y se suman los valores resultantes. Si la suma es igual a uno, el sistema está termodinámicamente en equilibrio, si es mayor a uno, existen condiciones para la formación de hidratos, si la suma es menor a uno, no se pueden formar hidratos.

Hidratos de gases de hidrocarburos individuales y naturales.

El hidrato de metano se obtuvo por primera vez en 1888 a una temperatura máxima de 21,5 °C. Katz y otros, estudiando los parámetros de equilibrio (presión y temperatura) de la formación de hidratos de metano a una presión de 33,0–76,0 MPa, obtuvieron hidratos de metano a una temperatura de 28,8 °C. En uno de los trabajos se observó que la temperatura de formación de hidratos de este componente a una presión de 390 MPa asciende a 47 °C.

3. FORMACIÓN DE HIDRATOS EN POZOS Y MÉTODOS PARA SU ELIMINACIÓN

La formación de hidratos en pozos y gasoductos de campo y la elección de un método para combatirlos dependen en gran medida de las temperaturas del yacimiento, las condiciones climáticas y el modo de operación del pozo.

A menudo, en el pozo hay condiciones para la formación de hidratos, cuando la temperatura del gas a medida que asciende desde el fondo hasta la cabeza del pozo se vuelve inferior a la temperatura de formación de hidratos. Como resultado, el pozo se obstruye con hidratos.

El cambio en la temperatura del gas a lo largo del pozo se puede determinar utilizando termómetros de fondo de pozo o mediante cálculo.

La formación de hidratos en el pozo puede evitarse mediante el aislamiento térmico de las sartas de revestimiento o de flujo, elevando la temperatura del gas en el pozo utilizando calentadores. La forma más común de prevenir la formación de hidratos es suministrar inhibidores (metanol, glicoles) a la corriente de gas. A veces, el inhibidor se suministra a través del anillo. La elección del reactivo depende de muchos factores.

El lugar donde los hidratos comienzan a formarse en los pozos está determinado por el punto de intersección de la curva de equilibrio de formación de hidratos con la curva de cambio de temperatura del gas a lo largo del pozo (Fig. 8). En la práctica, la formación de hidratos en el pozo se puede ver por una disminución en la presión de trabajo en la cabeza del pozo y una disminución en la tasa de flujo de gas. Si los hidratos no cubren completamente la sección del pozo, su descomposición se logra más fácilmente con la ayuda de inhibidores. Es mucho más difícil tratar con depósitos de hidratos que se superponen completamente a la sección transversal de las tuberías de la fuente y forman un tapón continuo de hidratos. Con una longitud de tapón pequeña, generalmente se elimina soplando el pozo. Con una longitud significativa, la expulsión del corcho a la atmósfera está precedida de un cierto período durante el cual se descompone parcialmente como consecuencia de una disminución de la presión. La duración del período de descomposición de los hidratos depende de la longitud del tapón, la temperatura del gas y del entorno. rocas. Las partículas sólidas (arena, lodos, escamas, partículas de solución arcillosa, etc.) ralentizan la descomposición del corcho. Los inhibidores se utilizan para acelerar este proceso.

También debe tenerse en cuenta que cuando se forma un tapón de hidrato en la zona de temperaturas negativas, el efecto se obtiene solo cuando se baja la presión. El hecho es que el agua liberada durante la descomposición de los hidratos a baja concentración de inhibidor puede congelarse y formarse un tapón de hielo en lugar de hidrato, que es difícil de eliminar.

si el corcho gran longitud formado en el pozo, se puede eliminar aplicando circulación cerrada del inhibidor sobre el tapón. Como resultado, las impurezas mecánicas se eliminan y un inhibidor de alta concentración está constantemente presente en la superficie del tapón de hidrato.

4. FORMACIÓN DE HIDRATOS EN GASODUCTOS

Para combatir los depósitos de hidratos en el campo y gasoductos principales aplicar los mismos métodos que en los pozos. Además, se puede prevenir la formación de hidratos introduciendo inhibidores y aislamiento térmico de las plumas.

Según los cálculos, el aislamiento térmico de la tubería con espuma de poliuretano de 0,5 cm de espesor con un caudal medio de pozo de 3 millones de m 3 /día proporciona un modo de operación libre de hidratos con una longitud de hasta 3 km, y con un caudal de 1 millón de m 3 / día - hasta 2 km. En la práctica, el grosor del aislamiento térmico del bucle, teniendo en cuenta el margen, puede tomarse entre 1 y 1,5 cm.

Para combatir la formación de hidratos en el estudio de pozos se utiliza un método que evita que se adhieran a las paredes de las tuberías. Para ello, se introducen en la corriente de gas sustancias tensioactivas (surfactantes), condensados ​​o productos derivados del petróleo. En este caso, se forma una película hidrofóbica en las paredes de las tuberías y los hidratos sueltos son fácilmente transportados por el flujo de gas. Surfactantes, que cubren la superficie de líquidos y sólidos capas más delgadas, contribuye a un cambio brusco en las condiciones de interacción de los hidratos con la pared de la tubería.

Los hidratos de soluciones acuosas de tensioactivos no se adhieren a las paredes. Los mejores tensioactivos solubles en agua (OP-7, OP-10, OP-20 e INCP-9) solo se pueden usar en la región de temperaturas positivas. De los tensioactivos solubles en aceite, OP-4 es el mejor, un buen emulsionante.

Adición a 1 litro de productos derivados del petróleo (nafta, queroseno, combustible diesel, condensado estable), respectivamente 10; 12,7 y 6 g de OP-4 evitan que los hidratos se adhieran a las paredes de la tubería. Una mezcla de 15 a 20 % (por volumen) de aceite solar y 80 a 85 % de condensado estable evita los depósitos de hidratos en la superficie de la tubería. El consumo de dicha mezcla es de 5 a 6 litros por 1000 m 3 de gas.

Régimen de temperatura gasoductos

Después de calcular la temperatura y la presión a lo largo del gasoducto y conocer sus valores de equilibrio, es posible determinar las condiciones para la formación de hidratos. La temperatura del gas se calcula utilizando la fórmula de Shukhov, que tiene en cuenta el intercambio de calor entre el gas y el suelo. Una fórmula más general que tiene en cuenta el intercambio de calor con el medio ambiente, el efecto Joule-Thomson, así como la influencia del relieve del trayecto, tiene la forma

Arroz. 9. Cambio en la temperatura del gas a lo largo de un gasoducto subterráneo. 1 – temperatura medida; 2 - cambio de temperatura según la fórmula (2); 3 – temperatura del suelo.

donde , – la temperatura del gas en el gasoducto y del ambiente, respectivamente; – temperatura inicial del gas; – distancia desde el inicio del gasoducto hasta el punto considerado; – coeficiente de Joule-Thomson; , – presión, respectivamente, al principio y al final del gasoducto; – la longitud del gasoducto; – aceleración de la gravedad; – la diferencia de alturas de los puntos final e inicial del gasoducto; – capacidad calorífica del gas a presión constante; – coeficiente de transferencia de calor al medio ambiente; – diámetro de la tubería; es la densidad del gas; es el flujo volumétrico de gas.

Para gasoductos horizontales, la fórmula (1) se simplifica y toma la forma

(2)

Los cálculos y las observaciones muestran que la temperatura del gas a lo largo del gasoducto se acerca gradualmente a la temperatura del suelo (Fig. 9).

La igualación de las temperaturas del gasoducto y del suelo depende de muchos factores. La distancia donde la diferencia de temperatura entre el gas en la tubería y el suelo se vuelve imperceptible se puede determinar si en la ecuación (2) tomamos y .

(3)

Por ejemplo, de acuerdo con los datos calculados, en un gasoducto submarino con un diámetro de 200 mm con una capacidad de 800 mil m 3 / día, la temperatura del gas se iguala con la temperatura del agua a una distancia de 0,5 km, y en un metro gasoducto con los mismos parámetros - a una distancia de 17 km.

5. PREVENCIÓN Y CONTROL DE LA FORMACIÓN DE HIDRATOS DE GAS NATURAL

Un método efectivo y confiable para prevenir la formación de hidratos es secar el gas antes de que ingrese a la tubería. Es necesario que la deshidratación se lleve a cabo hasta el punto de rocío que asegure el modo normal de transporte del gas. Por regla general, el secado se lleva a cabo hasta un punto de rocío de 5 a 6 °C por debajo de la temperatura mínima posible del gas en la tubería de gas. El punto de rocío debe elegirse teniendo en cuenta las condiciones para garantizar un suministro de gas confiable a lo largo de todo el recorrido del movimiento del gas desde el campo hasta el consumidor.

Introducción de inhibidores utilizados en la eliminación de tapones de hidratos

La ubicación de la formación de un tapón de hidrato generalmente se puede determinar por el aumento en la caída de presión en una sección determinada de la tubería de gas. Si el tapón no es sólido, se introduce un inhibidor en la tubería a través de boquillas especiales, accesorios para manómetros o mediante una vela de purga. Si se han formado tapones de hidrato continuos de pequeña longitud en la tubería, a veces se pueden eliminar de la misma manera. Con una longitud de tapón de cientos de metros, se cortan varias ventanas en la tubería por encima del tapón de hidrato y se vierte metanol a través de ellas. Luego, la tubería se suelda nuevamente.

Arroz. 10. Dependencia del punto de congelación del agua de la concentración de la solución. Inhibidores: 1-glicerina; 2-TEG; 3 GRADOS; 4-EG; 5–C2H5OH; 7-NaCl; 8–CaCI2; 9-MgCl2.

Para una descomposición rápida del tapón de hidrato, se utiliza un método combinado; Simultáneamente a la introducción del inhibidor en la zona de formación de hidratos, se reduce la presión.

Eliminación de tapones de hidratos por reducción de presión. La esencia de este método radica en la violación del estado de equilibrio de los hidratos, lo que resulta en su descomposición. La presión se reduce de tres maneras:

- apague la sección de la tubería de gas donde se formó el tapón, y el gas pasa a través de las velas desde ambos lados;

- bloquear la válvula de línea por un lado y liberar a la atmósfera el gas encerrado entre el tapón y una de las válvulas cerradas;

- cerrar el tramo de gasoducto a ambos lados del tapón y liberar a la atmósfera el gas encerrado entre el tapón y una de las válvulas de cierre.

Tras la descomposición de los hidratos, se tiene en cuenta: la posibilidad de acumulación de hidrocarburos líquidos en la zona de soplado y la formación de tapones repetidos de hidratos-hielo por descenso brusco de la temperatura.

A temperaturas negativas, el método de reducción de presión en algunos casos no da el efecto deseado, ya que el agua formada como resultado de la descomposición de los hidratos se convierte en hielo y forma un tapón de hielo. En este caso, el método de reducción de presión se usa en combinación con la introducción de inhibidores en la tubería. La cantidad de inhibidor debe ser tal que, a una temperatura dada, la solución del inhibidor introducido y el agua, resultante de la descomposición de los hidratos, no se congele (Fig. 10).

La descomposición de hidratos por reducción de presión en combinación con la introducción de inhibidores es mucho más rápida que usar cada método por separado.

Eliminación de tapones de hidratos en ductos de agua natural y gases licuados método de calentamiento Con este método, un aumento de la temperatura por encima de la temperatura de equilibrio para la formación de hidratos conduce a su descomposición. En la práctica, la tubería se calienta agua caliente o transbordador. Los estudios han demostrado que un aumento de la temperatura en el punto de contacto del hidrato y el metal a 30–40°C es suficiente para la rápida descomposición de los hidratos.

Inhibidores de hidratos

En la práctica, el metanol y los glicoles se utilizan ampliamente para combatir la formación de hidratos. A veces se utilizan hidrocarburos líquidos, tensioactivos, agua de formación, una mezcla de varios inhibidores, como metanol con soluciones de cloruro de calcio, etc.

El metanol tiene un alto grado la reducción de la temperatura de formación de hidratos, la capacidad de descomponer rápidamente los tapones de hidratos ya formados y mezclarlos con agua en cualquier proporción, baja viscosidad y bajo punto de congelación.

El metanol es un veneno fuerte, la ingestión de incluso una pequeña dosis puede provocar la muerte, por lo que se requiere un cuidado especial cuando se trabaja con él.

Los glicoles (etilenglicol, dietilenglicol, trietilenglicol) se utilizan a menudo para el secado de gases y como inhibidores para controlar los depósitos de hidratos. El inhibidor más común es el dietilenglicol, aunque el uso de etilenglicol es más efectivo: sus soluciones acuosas tienen un punto de congelación más bajo, menor viscosidad y baja solubilidad en gases hidrocarburos, lo que reduce significativamente sus pérdidas.

La cantidad de metanol requerida para prevenir la formación de hidratos en gases licuados, es posible determinar sobre el gráfico que se muestra en la fig. 12. Para determinar el consumo de metanol necesario para evitar la formación de hidratos en gases naturales y licuados, proceda de la siguiente manera. A su consumo, encontrado a partir de la Fig. 11 y 12, se debe sumar la cantidad de metanol que pasa a la fase gaseosa. La cantidad de metanol en la fase gaseosa supera significativamente su contenido en la fase líquida.

LUCHA CONTRA LA FORMACIÓN DE HIDRATOS EN LOS PRINCIPALES GASODUCTOS

(Gromov V.V., Kozlovsky V.I. Operador de gasoductos principales. - M.; Nedra, 1981. - 246 p.)

La formación de hidratos cristalinos en un gasoducto se produce cuando el gas está completamente saturado de vapor de agua a una determinada presión y temperatura. Los hidratos cristalinos son compuestos inestables de hidrocarburos con agua. En apariencia, parecen nieve comprimida. Los hidratos extraídos del gasoducto se descomponen rápidamente en gas y agua en el aire.

La formación de hidratos es promovida por la presencia en el gasoducto de agua que humedece el gas, cuerpos extraños que estrechan la sección transversal del gasoducto, así como tierra y arena, cuyas partículas sirven como centros de cristalización. No es de poca importancia el contenido en el gas natural de otros gases hidrocarburos además del metano (C 3 H 8 , C 4 H 10 , H 2 S).

Sabiendo en qué condiciones se forman los hidratos en el gasoducto (composición del gas, punto de rocío, la temperatura a la que se condensa la humedad contenida en el gas, presión y temperatura del gas a lo largo de la ruta), es posible tomar medidas para evitar su formación. En la lucha contra los hidratos de manera radical es la deshidratación del gas en las instalaciones principales del gasoducto hasta un punto de rocío que sería de 5 a 7 °C inferior a la temperatura más baja posible del gas en el gasoducto en período de invierno.

En caso de secado insuficiente o en su ausencia, para evitar la formación y destrucción de los hidratos formados, se utilizan inhibidores que absorben parte del vapor de agua del gas y lo hacen incapaz de formar hidratos a una presión dada. como alcohol metílico (metanol–CH 3 OH ), soluciones de etilenglicol, dietilenglicol, trietilenglicol, cloruro de calcio.De estos inhibidores, el metanol se usa a menudo en las principales tuberías de gas.

Para destruir los hidratos formados, se utiliza un método para reducir la presión en la sección del gasoducto a una presión cercana a la atmosférica (no inferior al exceso de 200–500 Pa). El tapón de hidratación se destruye en 20 a 30 minutos a varias horas, según la naturaleza y el tamaño del tapón y la temperatura del suelo. En el sitio con temperatura negativa suelo, el agua formada como resultado de la descomposición de los hidratos puede congelarse, formando un tapón de hielo, que es mucho más difícil de eliminar que un tapón de hidrato. Para acelerar la destrucción del corcho y evitar la formación de hielo, se utiliza el método descrito junto con un solo llenado de una gran cantidad de metanol.

Las caídas de presión aumentadas en el gasoducto se detectan mediante las lecturas de los manómetros instalados en las válvulas a lo largo de la ruta del gasoducto. De acuerdo con las lecturas de los manómetros, se construyen gráficos de caída de presión. Si mide la presión en un tramo de longitud / al mismo tiempo y traza los valores de los cuadrados de la presión absoluta en un gráfico con coordenadas pág. 2(MPa)- yo(km), entonces todos los puntos deben estar en la misma línea recta (Fig. 13). La desviación de la línea recta en el gráfico muestra un área con una caída de presión anormal, donde tiene lugar el proceso de formación de hidratos.

Cuando se detecta una caída de presión anormal en el gasoducto, se suele poner en funcionamiento una planta de metanol o, en su defecto, se realiza un vertido por única vez de metanol a través de una vela, para lo cual se suelda un grifo a la extremo superior de la vela. Con el grifo inferior cerrado, se vierte metanol en la vela a través del grifo superior. Luego se cierra el grifo superior y se abre el grifo inferior. Después de que el metanol fluya hacia la tubería de gas, la válvula inferior se cierra. Para llenar la cantidad requerida de metanol, esta operación se repite varias veces.

El suministro de metanol a través del tanque de metanol y el llenado simultáneo de metanol pueden no dar el efecto deseado o, a juzgar por la magnitud y el rápido aumento de la caída de presión, existe la amenaza de bloqueo. De esta forma, simultáneamente se vierte una gran cantidad de metanol y se realiza una purga de gas a lo largo del flujo de gas. La cantidad de metanol vertido en una sección de gasoducto con una longitud de 20 a 25 km y un diámetro de 820 mm es de 2 a 3 toneladas El metanol se vierte a través de una vela al comienzo de la sección, después de lo cual los grifos al comienzo y final del tramo están cerrados, el gas se descarga a la atmósfera a través de una vela frente al grifo del final del tramo.

En una situación más difícil, después de verter metanol, la sección de la tubería de gas se cierra cerrando los grifos en ambos extremos, el gas se libera a través de velas en ambos extremos, reduciendo la presión a casi atmosférica (no inferior al exceso de 200–500 Pensilvania). Después de un tiempo, durante el cual el tapón de hidrato en ausencia de presión y bajo la acción del metanol debe colapsar, abra el grifo al comienzo de la sección y sople la vela al final de la sección para mover el tapón de su lugar. . La eliminación de un tapón de hidrato mediante soplado no es segura, ya que si se destruye repentinamente en un gasoducto, pueden producirse caudales elevados de gas arrastrando los restos del tapón destruido. Es necesario monitorear cuidadosamente la presión en el área antes y después del tapón para evitar una caída muy grande. Con una gran diferencia, que indica la superposición de una parte significativa de la sección de la tubería, el lugar de formación del tapón se puede determinar fácilmente por el ruido característico que se produce durante la estrangulación del gas, que se escucha desde la superficie de la tierra. Con un bloqueo completo de la tubería de gas, no hay ruido.

Hace unos años, entre los economistas, es decir, gente alejada de la tecnología, se hizo popular la teoría del “agotamiento de los hidrocarburos”. En muchas publicaciones que conforman el color de la élite financiera mundial se discutía: ¿cómo será el mundo si el planeta se queda pronto sin, por ejemplo, petróleo? ¿Y cuáles serán sus precios cuando el proceso de "agotamiento" entre, por así decirlo, en una fase activa?

Sin embargo, la “revolución del esquisto”, que ahora tiene lugar literalmente ante nuestros ojos, ha dejado este tema al menos en un segundo plano. Quedó claro para todos lo que antes solo unos pocos expertos habían dicho: todavía hay suficientes hidrocarburos en el planeta. Evidentemente, es demasiado pronto para hablar de su agotamiento físico.

El verdadero problema es el desarrollo de nuevas tecnologías de producción que permitan extraer hidrocarburos de fuentes que antes se consideraban inaccesibles, así como el costo de los recursos obtenidos con su ayuda. Puedes conseguir casi cualquier cosa, solo que será más caro.

Todo esto hace que la humanidad busque nuevas “fuentes no tradicionales de combustible tradicional”. Uno de ellos es el gas de esquisto mencionado anteriormente. GAZ Technology ya ha escrito sobre varios aspectos relacionados con su producción más de una vez.

Sin embargo, existen otras fuentes similares. Entre ellos se encuentran los "héroes" del material de hoy: los hidratos de gas.

¿Lo que es? En el sentido más general, los hidratos de gas son compuestos cristalinos formados a partir de gas y agua a cierta temperatura (bastante baja) y presión (bastante alta).

Nota: una variedad de sustancias químicas. No tiene que ser sobre hidrocarburos. Los primeros hidratos de gas que los científicos observaron consistieron en cloro y dióxido de azufre. Por cierto, esto sucedió a fines del siglo XVIII.

Sin embargo, ya que estamos interesados aspectos prácticos relacionados con la extracción de gas natural, hablaremos aquí, en primer lugar, de hidrocarburos. Además, en condiciones reales, son los hidratos de metano los que predominan entre todos los hidratos.

Según estimaciones teóricas, las reservas de tales cristales son literalmente asombrosas. Según las estimaciones más conservadoras, estamos hablando de 180 billones de metros cúbicos. Estimaciones más optimistas arrojan una cifra 40.000 veces superior. Con tales indicadores, estará de acuerdo, incluso es un poco inconveniente hablar sobre la capacidad de agotamiento de los hidrocarburos en la Tierra.

Hay que decir que la hipótesis de la presencia de grandes depósitos en las condiciones del permafrost siberiano hidratos de gas fue propuesta por científicos soviéticos allá por los formidables años 40 del siglo pasado. Después de un par de décadas, encontró su confirmación. Y a fines de los años 60, incluso comenzó el desarrollo de uno de los depósitos.

Posteriormente, los científicos calcularon que la zona en la que los hidratos de metano pueden estar en un estado estable cubre el 90 por ciento de todo el fondo marino y oceánico de la Tierra y más el 20 por ciento de la tierra. Resulta que estamos hablando de un mineral potencialmente común.

La idea de extraer "gas sólido" realmente se ve atractiva. Además, una unidad de volumen de hidrato contiene alrededor de 170 volúmenes del gas mismo. Es decir, parecería que basta con obtener bastantes cristales para obtener un gran rendimiento de hidrocarburos. Desde un punto de vista físico, están en estado sólido y representan algo así como nieve suelta o hielo.

El problema, sin embargo, es que los hidratos de gas se encuentran, por regla general, en lugares de muy difícil acceso. “Los depósitos de intrapermafrost contienen solo una pequeña parte de los recursos de gas asociados con los hidratos de gas natural. La mayor parte de los recursos está confinada a la zona de estabilidad de los hidratos de gas, ese intervalo de profundidades (generalmente unos pocos cientos de metros), donde tienen lugar las condiciones termodinámicas para la formación de hidratos. En el norte de Siberia occidental, este es un intervalo de profundidad de 250 a 800 m, en los mares, desde la superficie del fondo hasta 300 a 400 m, en áreas especialmente profundas de la plataforma y el talud continental hasta 500 a 600 m por debajo del nivel del mar. abajo. Fue en estos intervalos que se descubrió la mayor parte de los hidratos de gas natural ”, informa Wikipedia. Por lo tanto, estamos hablando, por regla general, de trabajar en condiciones extremas de aguas profundas, a alta presión.

La extracción de hidratos de gas puede estar asociada con otras dificultades. Dichos compuestos son capaces, por ejemplo, de detonar incluso con ligeros golpes. Pasan muy rápidamente a un estado gaseoso que, en un volumen limitado, puede provocar picos de presión repentinos. Según fuentes especializadas, son precisamente estas propiedades de los hidratos de gas las que se han convertido en una fuente de graves problemas para las plataformas de producción en el Mar Caspio.

Además, el metano es uno de los gases que pueden crear un efecto invernadero. Si la producción industrial provoca sus emisiones masivas a la atmósfera, esto conlleva el agravamiento del problema del calentamiento global. Pero incluso si esto no sucede en la práctica, la atención cercana y hostil de los "verdes" a este tipo de proyectos está prácticamente garantizada. Y sus posiciones en el espectro político de muchos estados hoy en día son muy, muy fuertes.

Todo esto en extremo “pesa” proyectos para el desarrollo de tecnologías para la extracción de hidratos de metano. en realidad de verdad formas industriales todavía no hay desarrollo de tales recursos en el planeta. Sin embargo, se están produciendo desarrollos relevantes. Incluso hay patentes otorgadas a los inventores de tales métodos. Su descripción es a veces tan futurista que parece sacada de un libro de algún escritor de ciencia ficción.

Por ejemplo, "Método para extraer hidrocarburos de hidratos de gas del fondo de cuencas de agua y un dispositivo para su implementación (patente RF No. 2431042)", establecido en el sitio web http://www.freepatent.ru/: mar abajo. El resultado técnico es aumentar la producción de hidrocarburos hidratados con gas. El método consiste en destruir la capa inferior con bordes afilados de cangilones fijados en una cinta transportadora vertical que se mueve a lo largo del fondo de la piscina con la ayuda de un transportador de oruga, con respecto al cual la cinta transportadora se mueve verticalmente, con la posibilidad de profundizar en el abajo. En este caso, el hidrato de gas se eleva a la zona aislada del agua por la superficie del embudo volcado, donde se calienta, y el gas liberado se transporta a la superficie mediante una manguera fijada en la parte superior del embudo, sometiéndolo a la calefacción adicional. También se propone un dispositivo para implementar el método. Nota: todo esto debe tener lugar en agua de mar, a una profundidad de varios cientos de metros. Es difícil incluso imaginar la complejidad de este tarea de ingenieria, y cuánto puede costar el metano producido de esta manera.

Hay, sin embargo, otras formas. Aquí hay una descripción de otro método: “Existe un método conocido para extraer gases (metano, sus homólogos, etc.) de hidratos de gas sólidos en los sedimentos del fondo de los mares y océanos, en el cual dos cadenas de tuberías se sumergen en un pozo perforado hasta el fondo de la formación de hidrato de gas identificada - bombeo y bombeo. agua natural a temperatura natural o calentado, ingresa por la tubería de inyección y descompone los hidratos de gas en un sistema “gas-agua” que se acumula en una trampa esférica formada en el fondo de la formación de hidratos de gas. Los gases emitidos se bombean fuera de esta trampa a través de otra cadena de tuberías ... La desventaja del método conocido es la necesidad de perforación submarina, que es técnicamente onerosa, costosa y, a veces, introduce daños irreparables en el entorno submarino existente del reservorio ”(http ://www.findpatent.ru).

Podrían darse otras descripciones de este tipo. Pero está claro por lo que ya se ha enumerado: la producción industrial de metano a partir de hidratos de gas sigue siendo una cuestión de futuro. Requerirá las soluciones tecnológicas más complejas. Y la economía de tales proyectos aún no es obvia.

Sin embargo, se está trabajando en esta dirección, y de manera bastante activa. Están especialmente interesados ​​en países ubicados en los países de más rápido crecimiento y, por lo tanto, que presentan una demanda siempre nueva de combustible gaseoso región del mundo. Hablamos, por supuesto, del sudeste asiático. Uno de los estados que trabaja en esta dirección es China. Así, según el periódico "Diario del Pueblo", en 2014, los geólogos marinos realizaron un estudio a gran escala de uno de los sitios ubicados cerca de su costa. La perforación ha demostrado que contiene hidratos de gas de alta pureza. Se perforaron un total de 23 pozos. Esto permitió establecer que el área de distribución de hidratos de gas en la zona es de 55 kilómetros cuadrados. Y sus reservas, según expertos chinos, ascienden a 100-150 billones de metros cúbicos. La cifra dada, francamente hablando, es tan alta que uno se pregunta si no es demasiado optimista y si tales recursos realmente se pueden extraer (las estadísticas chinas en general a menudo plantean dudas entre los especialistas). Sin embargo, es obvio que los científicos chinos están trabajando activamente en esta dirección, buscando formas de proporcionar a su economía en rápido crecimiento los hidrocarburos que tanto necesitan.

La situación en Japón, por supuesto, es muy diferente a la que se observa en China. Sin embargo, el suministro de combustible a la Tierra del Sol Naciente no fue una tarea trivial, incluso en tiempos más tranquilos. Después de todo, Japón está privado de recursos tradicionales. Y tras la tragedia de la central nuclear de Fukushima en marzo de 2011, que obligó a las autoridades del país a estar bajo presión opinión pública reducir los programas de energía nuclear, este problema ha llegado casi al límite.

Es por eso que en 2012 una de las corporaciones japonesas comenzó a realizar perforaciones de prueba bajo el fondo del océano a una distancia de solo unas pocas decenas de kilómetros de las islas. La profundidad de los pozos en sí es de varios cientos de metros. Más la profundidad del océano, que en ese lugar es como de un kilómetro.

Hay que admitir que un año después, especialistas japoneses lograron obtener el primer gas en este lugar. Sin embargo, todavía no es posible hablar de un éxito completo. La producción industrial en esta zona, según las previsiones de los propios japoneses, no podrá comenzar antes de 2018. Y lo más importante, es difícil estimar cuál será el costo final del combustible.

Sin embargo, se puede afirmar que la humanidad todavía se está “acercando” lentamente a los depósitos de hidratos de gas. Y es posible que llegue el día en que extraiga metano de ellos a escala verdaderamente industrial.

No es ningún secreto que en la actualidad las fuentes tradicionales de hidrocarburos se están agotando cada vez más activamente, y este hecho hace pensar a la humanidad en la energía del futuro. Por lo tanto, los vectores de desarrollo de muchos actores del mercado internacional de petróleo y gas están orientados al desarrollo de yacimientos de hidrocarburos no convencionales.

Tras la “revolución del esquisto”, se ha producido un fuerte aumento del interés por otros tipos de gas natural no convencional, como los hidratos de gas (GG).

¿Qué son los hidratos de gas?

Los hidratos de gas se parecen mucho a la nieve o al hielo suelto, que contiene la energía del gas natural en su interior. Desde un punto de vista científico, los hidratos de gas (también llamados clatratos) son varias moléculas de agua que contienen una molécula de metano u otro hidrocarburo gaseoso dentro de su compuesto. Los hidratos de gas se forman a ciertas temperaturas y presiones, lo que hace posible que dicho "hielo" exista a temperaturas positivas.

La formación de depósitos de hidratos de gas (tapones) dentro de varias instalaciones de petróleo y gas es la causa de accidentes importantes y frecuentes. Por ejemplo, según una versión, la causa del mayor accidente en el Golfo de México en la plataforma Deepwater Horizon fue un tapón de hidrato formado en una de las tuberías.

gracias a su propiedades únicas, a saber, una alta concentración específica de metano en compuestos, una alta prevalencia a lo largo de las costas, los hidratos de gas natural han sido considerados la principal fuente de hidrocarburos en la Tierra desde mediados del siglo XIX, ascendiendo a aproximadamente 60% del stock total. Extraño, ¿no? Después de todo, estamos acostumbrados a escuchar de los medios solo sobre gas natural y petróleo, pero quizás en los próximos 20 a 25 años la lucha se destine a otro recurso.

Para comprender la escala completa de los depósitos de hidratos de gas, digamos que, por ejemplo, el volumen total de aire en la atmósfera terrestre es 1,8 veces menor que los volúmenes estimados de hidratos de gas. Las principales acumulaciones de hidratos de gas se encuentran muy cerca de la península de Sakhalin, las zonas de plataforma de los mares del norte de Rusia, la vertiente norte de Alaska, cerca de las islas de Japón y la costa sur de América del Norte.

Rusia contiene alrededor de 30.000 billones. cubo m de gas hidratado, que es tres órdenes de magnitud superior al volumen de gas natural tradicional actual (32,6 billones de metros cúbicos).

Un problema importante es el componente económico en el desarrollo y comercialización de hidratos de gas. Es muy caro conseguirlos hoy.

Si hoy nuestras estufas y calderas fueran alimentadas con gas doméstico extraído de hidratos de gas, entonces 1 metro cúbico costaría unas 18 veces más.

¿Cómo se extraen?

Es posible extraer clatratos hoy diferentes caminos. Hay dos grupos principales de métodos: minería en estado gaseoso y en estado sólido.

La más prometedora es la producción en estado gaseoso, es decir, el método de despresurización. Se abre el reservorio, donde se encuentran los hidratos de gas, la presión comienza a caer, lo que desequilibra la "nieve de gas", y comienza a descomponerse en gas y agua. esta tecnología ya han sido utilizados por los japoneses en su proyecto piloto.

Los proyectos rusos de investigación y desarrollo de hidratos de gas se iniciaron en tiempos de la URSS y se consideran fundamentales en este ámbito. Debido al descubrimiento de una gran cantidad de campos de gas natural tradicionales, que son económicamente atractivos y accesibles, todos los proyectos se suspendieron y la experiencia acumulada se transfirió a investigadores extranjeros, dejando sin trabajo muchos desarrollos prometedores.

¿Dónde se utilizan los hidratos de gas?

Un recurso energético poco conocido pero muy prometedor puede usarse no solo para hornos y cocinas. resultado actividades de innovación puede considerarse la tecnología de transporte de gas natural en estado hidratado (HNG). Suena muy complicado y aterrador, pero en la práctica todo está más que claro. A un hombre se le ocurrió la idea de “empaquetar” el gas natural extraído no en una tubería y no en los tanques de un buque cisterna de GNL (licuefacción de gas natural), sino en una capa de hielo, es decir, para hacer artificial hidratos de gas para transportar gas a un consumidor.

Con volúmenes comparables de suministro de gas comercial, estas tecnologías consumir un 14% menos de energía que las tecnologías de licuefacción de gas (cuando se transporta a distancias cortas) y 6% menos cuando se transportan a distancias de varios miles de kilómetros, requieren la menor reducción en la temperatura de almacenamiento (-20 grados C frente a -162). Resumiendo todos los factores, podemos concluir que el transporte de hidratos de gas mas economico transporte licuado en un 12−30%.

Con el transporte de gas hidratado, el consumidor recibe dos productos: metano y agua dulce (destilada), lo que hace que dicho transporte de gas sea especialmente atractivo para los consumidores ubicados en regiones áridas o polares (por cada 170 metros cúbicos de gas, hay 0,78 metros cúbicos de gas). ). agua).

Resumiendo, podemos decir que los hidratos de gas son el principal recurso energético del futuro a escala mundial, y además tienen grandes perspectivas para el complejo petrolero y gasífero de nuestro país. Pero estas son perspectivas muy amplias, cuyo efecto podremos ver en 20 o incluso 30 años, no antes.

Al no participar en el desarrollo a gran escala de hidratos de gas, el complejo de petróleo y gas de Rusia puede enfrentar algunos riesgos importantes. Desgraciadamente, los bajos precios actuales de los hidrocarburos y la crisis económica están poniendo cada vez más en tela de juicio los proyectos de investigación y el inicio del desarrollo industrial de los hidratos de gas, especialmente en nuestro país.

Durante años, los científicos soviéticos han planteado la hipótesis de la presencia de depósitos de hidratos de gas en la zona de permafrost (Strizhov, Mokhnatkin, Chersky). En la década de 1960, también descubrieron los primeros depósitos de hidratos de gas en el norte de la URSS. Al mismo tiempo, la posibilidad de la formación y existencia de hidratos en condiciones naturales encuentra confirmación en laboratorio (Makogon).

Desde entonces, los hidratos de gas han sido considerados como una fuente potencial de combustible. Según diversas estimaciones, las reservas de hidrocarburos terrestres en hidratos oscilan entre 1,8⋅10 5 y 7,6⋅10 9 km³. Resulta su amplia distribución en los océanos y el permafrost de los continentes, la inestabilidad con el aumento de la temperatura y la disminución de la presión.

Ahora los hidratos de gas natural están atrayendo especial atención como una posible fuente de combustibles fósiles, así como un participante en el cambio climático (ver la Hipótesis sobre la pistola de hidratos de metano).

YouTube enciclopédico

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✪ Formación de hidratos, prevención de la formación de hidratos. Hidratar

✪ Descubrimiento de hidratos de gas en Baikal. O. M. Jlystov

✪ Hidratos de gas parte 2

subtítulos

Propiedades de los hidratos

Los hidratos de gas natural son un mineral metaestable, cuya formación y descomposición depende de la temperatura, presión, composición química gas y agua, propiedades de un medio poroso, etc.

tipo de estructura	cavidades	Fórmula de celda unitaria	opciones de celda,	Ejemplo de molécula huésped
COP-I cúbico	D, T	6T x 2D x 46H2O	un = 12	Canal 4
COP-II	H, D	8 alto x 16 profundidad x 136H2O	= 17,1	C 3 H 8 , THF
Tetragonal TS-I	P, T, D	4P x 16T x 10D x 172H2O	a = 12.3 c = 10,2	(a alta presión), Br 2
Hexagonal GS-III	E, D, D"	E x 3D x 2D" x 34H2O	= 23,5 c = 12,3	C 10 H 16 + CH 4

Hidratos de gas en la naturaleza

La mayoría de los gases naturales (CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , CO 2 , N 2 , H 2 S , isobutano, etc.) forman hidratos que existen bajo ciertas condiciones termobáricas. El área de su existencia está confinada a los sedimentos del fondo marino y áreas de permafrost. Los hidratos de gas natural predominantes son los hidratos de metano y dióxido de carbono.

Durante la producción de gas, se pueden formar hidratos en pozos, comunicaciones industriales y gasoductos principales. Al depositarse en las paredes de las tuberías, los hidratos las reducen bruscamente. rendimiento. Para combatir la formación de hidratos en los campos de gas, se introducen varios inhibidores en pozos y tuberías (alcohol metílico, glicoles, solución de CaCl 2 al 30 %) y la temperatura del flujo de gas se mantiene por encima de la temperatura de formación de hidratos mediante calentadores, aislamiento de tuberías y selección del modo de operación, proporcionando la temperatura máxima de la corriente de gas. Para evitar la formación de hidratos en los gasoductos principales, el secado de gas es el más efectivo: la purificación de gas a partir de vapor de agua.

Investigación científica

EN últimos años El interés por el problema de los hidratos de gas en todo el mundo ha aumentado significativamente. El crecimiento de la actividad investigadora se explica por los siguientes factores principales:

• intensificar la búsqueda de fuentes alternativas de materias primas hidrocarbonadas en países que no cuentan con recursos energéticos, ya que los hidratos de gas son una fuente no convencional de materias primas hidrocarbonadas, cuyo desarrollo piloto puede comenzar en los próximos años;
• la necesidad de evaluar el papel de los hidratos de gas en las capas cercanas a la superficie de la geosfera, especialmente en relación con su posible impacto en el cambio climático global;
• estudiar las leyes de formación y descomposición de los hidratos de gas en la corteza terrestre en términos teóricos generales, para fundamentar la búsqueda y exploración de depósitos de hidrocarburos tradicionales (las ocurrencias de hidratos naturales pueden servir como marcadores para depósitos de petróleo y gas convencionales más profundos);
• desarrollo activo de yacimientos de hidrocarburos ubicados en condiciones naturales difíciles (plataforma de aguas profundas, regiones polares), donde se agudiza el problema de los hidratos de gas tecnogénicos;
• la viabilidad de reducir los costos operativos para evitar la formación de hidratos en los sistemas de producción de gas de campo a través de la transición a tecnologías de ahorro de recursos energéticos y respetuosas con el medio ambiente;
• la posibilidad de utilizar tecnologías de hidratos de gas en el desarrollo, almacenamiento y transporte de gas natural.

En los últimos años (después de una reunión en OAO Gazprom en 2003), la investigación sobre hidratos en Rusia continuó en varias organizaciones tanto a través de la financiación del presupuesto estatal (dos proyectos de integración de la rama siberiana de la Academia Rusa de Ciencias, pequeñas subvenciones de la Fundación Rusa para Investigación básica, una subvención del Gobernador de Tyumen, una subvención del Ministerio de Educación Superior de la Federación Rusa), y a expensas de subvenciones de fondos internacionales - INTAS, SRDF, UNESCO (bajo el programa "universidad flotante" - marine expediciones bajo los auspicios de la UNESCO bajo el lema Training Through Research - capacitación a través de la investigación), KOMEKS (Kurele-Okhotsk-Marine Experiment), CHAPOS (Carbon-Hydrate Accumulations in the Okhotsk Sea), etc.

En 2002-2004 la investigación sobre fuentes no convencionales de hidrocarburos, incluidos los hidratos de gas (teniendo en cuenta los intereses comerciales de OAO Gazprom), continuó en OOO Gazprom VNIIGAZ y OAO Promgaz con una pequeña escala de financiación.

Actualmente [ ¿cuándo?] los estudios sobre hidratos de gas se llevan a cabo en OAO Gazprom (principalmente en OOO Gazprom VNIIGAZ), en institutos academia rusa Ciencias, en las universidades.

Los estudios de los problemas geológicos y tecnológicos de los hidratos de gas se iniciaron a mediados de los años 60 por especialistas de VNIIGAZ. Al principio, se plantearon y resolvieron problemas tecnológicos para prevenir la formación de hidratos, luego los temas se ampliaron gradualmente: los aspectos cinéticos de la formación de hidratos se incluyeron en la esfera de interés, luego se prestó una atención considerable a los aspectos geológicos, en particular, las posibilidades de la existencia de yacimientos de hidratos de gas, y problemas teóricos de su desarrollo.

Estudios geológicos de hidratos de gas.

La próxima etapa de investigación sobre la termodinámica de la formación de hidratos está asociada con el desarrollo de depósitos gigantes del norte: Urengoy y Yamburg. Para mejorar los métodos para prevenir la formación de hidratos en relación con los sistemas de recolección y procesamiento de campo de gases que contienen condensados, se necesitaban datos experimentales sobre las condiciones de formación de hidratos en soluciones de metanol altamente concentradas en una amplia gama de temperaturas y presiones. En el curso de estudios experimentales (V. A. Istomin, D. Yu. Stupin y otros), se revelaron serias dificultades metodológicas para obtener datos representativos a temperaturas inferiores a -20 °C. En este sentido, se desarrolló una nueva técnica para estudiar los equilibrios de fase de los hidratos de gas a partir de mezclas de gases multicomponentes con el registro de los flujos de calor en la cámara de hidratos, y al mismo tiempo, la posibilidad de la existencia de formas metaestables de hidratos de gas ( en la etapa de su formación), lo que fue confirmado por estudios posteriores de autores extranjeros. El análisis y la generalización de nuevos datos experimentales y de campo (tanto nacionales como extranjeros) permitieron desarrollar (V. A. Istomin, V. G. Kvon, A. G. Burmistrov, V. P. Lakeev) instrucciones para el consumo óptimo de inhibidores de la formación de hidratos (1987).

Perspectivas de la aplicación de tecnologías de hidratos de gas en la industria

Las propuestas tecnológicas para el almacenamiento y transporte de gas natural en estado hidratado aparecieron en la década del 40 del siglo XX. La propiedad de los hidratos de gas a presiones relativamente bajas de concentrar volúmenes significativos de gas ha atraído la atención de los especialistas durante mucho tiempo. Los cálculos económicos preliminares mostraron que el transporte marítimo de gas en estado hidratado es el más eficiente, y se puede lograr un efecto económico adicional con la venta simultánea de gas transportado y gas a los consumidores. agua pura, que queda después de la descomposición del hidrato (durante la formación de hidratos de gas, el agua se purifica de las impurezas). En la actualidad, se están considerando los conceptos de transporte marítimo de gas natural en estado hidratado en condiciones de equilibrio, especialmente al planificar el desarrollo de campos de gas en aguas profundas (incluidos los hidratos) alejados del consumidor.

Universidad Nacional de Recursos Minerales Minería

Asesor científico: Gulkov Yury Vladimirovich, Candidato de Ciencias Técnicas, Universidad Nacional de Minería de Minerales y Materias Primas

Anotación:

Este artículo analiza las propiedades químicas y físicas de los hidratos de gas, la historia de su estudio e investigación. Además, se consideran los principales problemas que impiden la organización de la producción comercial de hidratos de gas.

En este artículo describimos las características químicas y físicas de los hidratos de gas, la historia de su estudio e investigación. Además, se consideran los problemas básicos que dificultan la organización de la producción comercial de hidratos de gas.

Palabras clave:

hidratos de gas; energía; minería comercial; Problemas.

hidratos de gas; Ingeniería de la Energía; extracción comercial; Problemas.

CDU 622.324

Introducción

Inicialmente, el hombre utilizó sus propios poderes como fuente de energía. Después de un tiempo, la energía de la madera y los orgánicos llegaron al rescate. Hace aproximadamente un siglo, el carbón se convirtió en el principal recurso energético; 30 años después, el petróleo compartió su primacía. Hoy, la energía del mundo se basa en la tríada gas-petróleo-carbón. Sin embargo, en 2013 este equilibrio se desplazó hacia el gas por parte de las empresas energéticas japonesas. Japón- mundo líder en importaciones de gas. Corporación Estatal petróleo, gas y metales (JOGMEC) (Japan Oil, Gas & Metals National Corp.) logró ser el primero en el mundo en obtener gas del hidrato de metano en el fondo océano Pacífico desde una profundidad de 1,3 kilómetros. La producción de prueba duró solo 6 semanas, a pesar de que el plan contemplaba una producción de dos semanas, se produjeron 120 mil metros cúbicos de gas natural, este descubrimiento le permitirá al país independizarse de las importaciones, cambiar radicalmente su economía. ¿Qué es un hidrato de gas y cómo puede afectar a la industria energética mundial?

El propósito de este artículo es considerar los problemas en el desarrollo de hidratos de gas.

Para ello, se establecieron las siguientes tareas:

• Explore la historia de la investigación de hidratos de gas
• Estudiar propiedades químicas y físicas.
• Considere los principales problemas del desarrollo.

Relevancia

Los recursos tradicionales no están distribuidos uniformemente sobre la Tierra, además, son limitados. Según estimaciones modernas, las reservas de petróleo según los estándares de consumo actuales durarán 40 años, los recursos energéticos de gas natural, entre 60 y 100. Las reservas mundiales de gas de esquisto se estiman en unos 2.500-20.000 billones. cubo m. Esta es la reserva de energía de la humanidad durante más de mil años. La extracción comercial de hidratos elevaría la energía mundial a un nivel cualitativamente nuevo. En otras palabras, el estudio de los hidratos de gas ha abierto una fuente alternativa de energía para la humanidad. Pero también hay una serie de serios obstáculos para su estudio y producción comercial.

referencia histórica

IN Strizhov predijo la posibilidad de la existencia de hidratos de gas, pero habló sobre la inconveniencia de su extracción. El hidrato de metano fue obtenido por primera vez en el laboratorio por Villars en 1888, junto con hidratos de otros hidrocarburos ligeros. Las colisiones iniciales con hidratos de gas se consideraron problemas y obstáculos para la producción de energía. En la primera mitad del siglo XX, se descubrió que los hidratos de gas son la causa del taponamiento de los gasoductos ubicados en las regiones árticas (a temperaturas superiores a 0 °C). en 1961 se registró el descubrimiento de Vasiliev V.G., Makagon Yu.F., Trebin F.A., Trofimuk A.A., Chersky N.V. "La propiedad de los gases naturales para estar en el estado sólido de la corteza terrestre", que anunció una nueva fuente natural de hidrocarburos - hidrato de gas. Después de eso, comenzaron a hablar más fuerte sobre el agotamiento de los recursos tradicionales, y ya 10 años después, se descubrió el primer depósito de hidratos de gas en enero de 1970 en el Ártico, en la frontera con Siberia Occidental, se llama Messoyakha. Además, se llevaron a cabo grandes expediciones de científicos tanto de la URSS como de muchos otros países.

Palabra de química y física.

Los hidratos de gas son moléculas de gas rodeadas de moléculas de agua, como un "gas en una jaula". Esto se llama el marco de clatrato de agua. Imagina que en el verano atrapaste una mariposa en tus palmas, una mariposa es un gas, tus palmas son moléculas de agua. Porque proteges a la mariposa de las influencias externas, pero conservará su belleza e individualidad. Así es como se comporta un gas en un marco de clatrato.

Dependiendo de las condiciones de formación y el estado del formador de hidratos, los hidratos se ven externamente como cristales transparentes claramente definidos de varias formas o representan una masa amorfa de "nieve" densamente comprimida.

Los hidratos ocurren bajo ciertas condiciones termobáricas: equilibrio de fase. En presión atmosférica los hidratos de gas de los gases naturales existen hasta 20-25 °C. Debido a su estructura, un solo volumen de hidrato de gas puede contener hasta 160-180 volúmenes de gas puro. La densidad del hidrato de metano es de unos 900 kg/m³, que es inferior a la densidad del agua y el hielo. Cuando se viola el equilibrio de fase: un aumento de la temperatura y / o una disminución de la presión, el hidrato se descompone en gas y agua con la absorción de una gran cantidad de calor. Los hidratos cristalinos tienen un alto resistencia eléctrica, conducen bien el sonido y son prácticamente impermeables a las moléculas de agua y gas libres, tienen baja conductividad térmica.

Desarrollo

Los hidratos de gas son de difícil acceso porque Hasta la fecha, se ha establecido que alrededor del 98 % de los depósitos de hidratos de gas se concentran en la plataforma y el talud continental del océano, a profundidades de agua de más de 200-700 m, y solo el 2 %, en las partes subpolares del océano. continentes Por lo tanto, los problemas en el desarrollo de la producción comercial de hidratos de gas ya se encuentran en la etapa de desarrollo de sus yacimientos.

A la fecha existen varios métodos para la detección de depósitos de hidratos de gas: sondeo sísmico, método gravimétrico, medición de calor y flujos difusos sobre el depósito, estudio de la dinámica del campo electromagnético en la región de estudio, etc.

En el sondeo sísmico, se utilizan datos sísmicos bidimensionales (2-D) en presencia de gas libre debajo de un yacimiento saturado de hidratos, se determina la posición más baja de las rocas saturadas de hidratos. Pero durante la exploración sísmica es imposible detectar la calidad del depósito, el grado de saturación de hidratos de las rocas. Además, la exploración sísmica no es aplicable a terrenos complejos, pero es más rentable desde el punto de vista económico, sin embargo, es mejor utilizarla en conjunto con otros métodos.

Por ejemplo, las brechas se pueden llenar aplicando exploración electromagnética además de exploración sísmica. Permitirá caracterizar con mayor precisión la roca, debido a las resistencias individuales en los puntos de ocurrencia de los hidratos de gas. El Departamento de Energía de los Estados Unidos planea realizarlo a partir de 2015. El método sismoelectromagnético se utilizó para desarrollar los depósitos del Mar Negro.

También es rentable desarrollar un campo de depósitos saturados utilizando un método de desarrollo combinado, cuando el proceso de descomposición de hidratos va acompañado de una disminución de la presión con exposición térmica simultánea. Reducir la presión ahorrará energía térmica gastado en la disociación de hidratos, y el calentamiento del medio poroso evitará la nueva formación de hidratos de gas en la zona de formación de fondo de pozo.

Minería

El siguiente escollo es directamente la extracción de hidratos. Los hidratos se encuentran en forma sólida, lo que provoca dificultades. Dado que el hidrato de gas se presenta bajo ciertas condiciones termobáricas, si se viola una de ellas, se descompondrá en gas y agua, de acuerdo con esto, se han desarrollado las siguientes tecnologías de extracción de hidratos.

1. Despresurización:

Cuando el hidrato está fuera del equilibrio de fase, se descompone en gas y agua. Esta tecnología es famosa por su trivialidad y viabilidad económica, además, sobre sus hombros recae el éxito de la primera minería japonesa en 2013. Pero no todo es tan color de rosa: el agua resultante durante temperaturas bajas puede obstruir el equipo. Además, la tecnología es realmente efectiva, porque. 13,000 pies cúbicos m de gas, que es muchas veces mayor que las tasas de producción en el mismo campo utilizando tecnología de calefacción: 470 metros cúbicos. m de gas en 5 días. (ver tabla)

2. Calefacción:

Nuevamente, debe descomponer el hidrato en gas y agua, pero mediante suministro de calor. El suministro de calor se puede realizar de diferentes maneras: inyección de refrigerante, circulación agua caliente, calefacción a vapor, calefacción eléctrica. Me gustaría detenerme en una tecnología interesante inventada por investigadores de la Universidad de Dortmund. El proyecto consiste en tender una tubería a los depósitos de hidratos de gas en el lecho marino. Su peculiaridad es que la tubería tiene paredes dobles. Por tubo interior El agua de mar se suministra al campo, se calienta a 30-40˚С, la temperatura de transición de fase, y las burbujas de metano gaseoso, junto con el agua, se elevan a lo largo tubo exterior arriba. Allí, el metano es separado del agua, enviado a tanques o a la tubería principal, y agua tibia regresa a los depósitos de hidratos de gas. Sin embargo, este método de extracción requiere altos costos, un aumento constante en la cantidad de calor suministrado. En este caso, el hidrato de gas se descompone más lentamente.

3. Introducción del inhibidor:

También, para la descomposición del hidrato, utilizo la introducción de un inhibidor. En el Instituto de Física y Tecnología de la Universidad de Bergen, el dióxido de carbono fue considerado como un inhibidor. Con esta tecnología es posible obtener metano sin la extracción directa de los propios hidratos. Este método ya está siendo probado por la Corporación Nacional de Petróleo, Gas y Metales de Japón (JOGMEC) con el apoyo del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Pero esta tecnología está plagada de peligros ambientales y requiere altos costos. Las reacciones proceden más lentamente.

Nombre del proyecto	la fecha	Países participantes	Compañías	Tecnología
Mallik, Canadá		Japón, canal de EE. UU., Alemania, India	JOGMEC, BP, Chevron Texaco	Calentador (refrigerante-agua)
Ladera norte de Alaska, EE. UU.		Estados Unidos, Japón	Conoco Phillips, JOGMEC	Inyección de dióxido de carbono, inyección de inhibidor
Alaska, Estados Unidos			BP, Schlumberger	Perforación para estudiar las propiedades del hidrato de gas
Mallik, Canadá		Japón, Canadá	JOGMEC como parte de un consorcio público privado	despresurización
fuego en hieloIgnikSikumi), Alaska, Estados Unidos		Estados Unidos, Japón, Noruega	Conoco Phillips, JOGMEC, Universidad de Bergen (Noruega)	inyección de dióxido de carbono
Un proyecto conjunto (juntaIndustriaproyecto) Golfo de México, EE. UU.			Chevron como líder del consorcio	Perforación para estudiar la geología de los hidratos de gas
Cerca de la península de Atsumi, Japón			JOGMEC, JAPEX, Japón Perforación	despresurización

Fuente: centro analítico basado en materiales de código abierto

Tecnología

Otra razón para la falta de desarrollo de la producción comercial de hidratos es la falta de tecnología para su producción rentable, lo que provoca grandes inversiones. Dependiendo de la tecnología, existen diferentes barreras: explotación equipamiento especial para la introducción elementos químicos y/o calefacción local para evitar la nueva formación de hidratos de gas y la obstrucción de los pozos; el uso de tecnologías que impiden la extracción de arena.

Por ejemplo, en 2008, según estimaciones preliminares para el campo Mallik en el Ártico canadiense, se indicó que los costos de desarrollo oscilaron entre 195 y 230 dólares por mil toneladas. cubo m para hidratos de gas situados por encima del gas libre, y en el rango de 250-365 dólares/mil. cubo m para hidratos de gas situados por encima del agua libre.

Para solucionar este problema, es necesario popularizar la extracción comercial de hidratos entre el personal científico. Organizar más conferencias científicas, concursos para mejorar los equipos antiguos o crear nuevos, lo que podría proporcionar costos más bajos.

Riesgo ambiental

Además, el desarrollo de los yacimientos de hidratos de gas conducirá inevitablemente a un aumento del volumen de emisiones de gas natural a la atmósfera y, en consecuencia, a un aumento del efecto invernadero. El metano es un poderoso gas de efecto invernadero y, a pesar de que su vida en la atmósfera es más corta que la del CO₂, el calentamiento causado por la liberación de grandes cantidades de metano a la atmósfera será decenas de veces más rápido que el calentamiento causado por el carbono. dióxido. Además, si el calentamiento global, el efecto invernadero u otras causas provocan el colapso de al menos un depósito de hidratos de gas, esto provocará una colosal liberación de metano a la atmósfera. Y, como una avalancha, de un suceso a otro, esto conducirá a cambios climáticos globales en la Tierra, y las consecuencias de estos cambios ni siquiera pueden predecirse aproximadamente.

Para evitar esto, es necesario integrar datos de análisis de exploración complejos y predecir el posible comportamiento de los yacimientos.

Detonación

Otro problema sin resolver para los mineros es la propiedad bastante desagradable de los hidratos de gas de "detonar" al menor movimiento. En este caso, los cristales pasan rápidamente por la fase de transformación a estado gaseoso, y adquieren un volumen varias decenas de veces mayor que el original. Por lo tanto, los informes de los geólogos japoneses hablan con mucho cuidado sobre las perspectivas para el desarrollo de hidratos de metano; después de todo, el desastre de la plataforma de perforación Deepwater Horizon, según varios científicos, incluido el profesor Robert Bee de la Universidad de California en Berkeley. , fue el resultado de la explosión de una burbuja gigante de metano, que se formó a partir de depósitos de hidratos en el fondo perturbados por perforadores.

Petróleo y gas

Los hidratos de gas se consideran no solo desde el lado de un recurso energético, sino que se encuentran con mayor frecuencia durante la producción de petróleo. Y nuevamente, nos dirigimos al hundimiento de la plataforma Deepwater Horizon en el Golfo de México. Luego, para controlar el escape de petróleo, se construyó una caja especial, que se planeó colocar sobre el pozo de emergencia. Pero el petróleo resultó estar muy carbonatado, y el metano comenzó a formar témpanos de hielo de hidratos de gas en las paredes de la caja. Son aproximadamente un 10% más livianos que el agua, y cuando la cantidad de hidratos de gas se hizo lo suficientemente grande, simplemente comenzaron a levantar la caja, lo que, en general, los expertos predijeron de antemano.

El mismo problema se encontró en la producción de gas convencional. Además de los hidratos de gas "naturales", la formación de hidratos de gas es gran problema en gasoductos principales ubicados en climas templados y fríos, ya que los hidratos de gas pueden obstruir el gasoducto y reducir su rendimiento. Para evitar que esto suceda, se agrega una pequeña cantidad de un inhibidor al gas natural o simplemente se usa calefacción.

Estos problemas se resuelven de la misma manera que en la producción: bajando la presión, calentando, introduciendo un inhibidor.

Conclusión

En este artículo, se consideraron las barreras que se interponen en el camino de la producción comercial de hidratos de gas. Ya se encuentran en la etapa de desarrollo de los yacimientos de gas, directamente durante la producción misma. Además, los hidratos de gas son actualmente un problema en la producción de petróleo y gas. Hoy, impresionantes reservas de hidratos de gas, rentabilidad económica exigen la acumulación de información y aclaraciones. Los expertos siguen al acecho soluciones óptimas desarrollo de yacimientos de hidratos de gas. Pero con el desarrollo de la tecnología, el costo de desarrollar depósitos debería disminuir.

Lista bibliográfica:

1. Vasiliev A., Dimitrov L. Evaluación de la distribución espacial y las reservas de hidratos de gas en el Mar Negro // Geología y Geofísica. 2002. Nº 7. v.43.
2. Dyadin Yu.A., Gushchin A.L. hidratos de gas. // Diario Educativo de Soros, No. 3, 1998, p. 55–64
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4. A. A. Trofimuk, Yu. 6-komanda-vymlnefti/detalle/32-komanda-vympelnefti
5. Química y Vida, 2006, No. 6, p.8.
6. El día que la Tierra casi murió - 5. 12. 2002 [recurso electrónico] http://www.bbc.co.uk/science/horizon/2002/dayarthdied.shtml

Reseñas:

01/12/2015, 12:12 Mordashev Vladimir Mikhailovich
Revisar: El artículo está dedicado a una amplia gama de problemas relacionados con la urgente tarea de desarrollar hidratos de gas, un recurso energético prometedor. La solución de estos problemas requerirá, entre otras cosas, del análisis y generalización de datos heterogéneos de la investigación científica y tecnológica, muchas veces desordenados, caóticos. Por lo tanto, el revisor recomienda a los autores en su más trabajo preste atención al artículo "Empirismo para el caos", sitio, No. 24, 2015, p. 124-128. El artículo "Problemas de desarrollo de hidratos de gas" es de indudable interés para una amplia gama de especialistas, debería ser publicado.

18/12/2015 2:02 Responder a la reseña del autor Polina Robertovna Kurikova:
Me familiaricé con el artículo, con el desarrollo posterior del tema, la solución de los problemas cubiertos, usaré estas recomendaciones. Gracias a.