Extração de metano de hidratos gasosos. Avaliação especializada das reservas mundiais modernas de depósitos de hidratos de gases aquáticos

14. Hidrata gases naturais

1. TEOR DE UMIDADE DE GASES NATURAIS

O gás sob condições de pressão e temperatura do reservatório é saturado com vapor d'água, uma vez que as rochas contendo gás sempre contêm água ligada, de fundo ou marginal. À medida que o gás se move através do poço, a pressão e a temperatura diminuem. À medida que a temperatura diminui, a quantidade de vapor d'água na fase gasosa também diminui, e com a diminuição da pressão, ao contrário, o teor de umidade no gás aumenta. O teor de umidade do gás natural na formação produtiva também aumenta quando a pressão do reservatório cai à medida que o campo se desenvolve.

Geralmente O teor de umidade de um gás é expresso como a razão entre a massa de vapor de água contida em uma unidade de massa de gás e uma unidade de massa de gás seco (teor de umidade em massa) ou como o número de moles de vapor de água por mol de gás seco. (teor de umidade molar).

Na prática, a umidade absoluta é mais usada, ou seja, expressar a massa de vapor d'água por unidade de volume de gás, reduzida às condições normais (0°C e 0,1 MPa). Umidade absoluta C medido em g/m3 ou kg por 1000 m3.

Umidade relativa- esta é a razão, expressa em porcentagem (ou frações de uma unidade), entre a quantidade de vapor d'água contido em um volume unitário de uma mistura de gases e a quantidade de vapor d'água no mesmo volume e nas mesmas temperaturas e pressão em plena saturação. A saturação total é estimada em 100%.

Os fatores que determinam o teor de umidade dos gases naturais incluem pressão, temperatura, composição do gás, bem como a quantidade de sais dissolvidos na água em contato com o gás. O teor de umidade dos gases naturais é determinado experimentalmente, por meio de equações analíticas ou nomogramas compilados a partir de dados experimentais ou cálculos.

Na Fig. A Figura 1 mostra um desses nomogramas, construído como resultado da generalização de dados experimentais sobre a determinação do teor de umidade dos gases em uma ampla faixa de mudanças de pressão e temperatura do teor de equilíbrio de vapor d'água em kg por 1000 m 3 de gás natural com densidade relativa de 0,6, isento de nitrogênio e em contato com água doce. A linha de formação de hidrato limita a região de equilíbrio do vapor d'água acima do hidrato. Abaixo da linha de formação de hidrato, os valores de umidade são dados para condições de equilíbrio metaestável de vapor d'água sobre água super-resfriada. O erro na determinação da umidade de gases com densidade relativa próxima a 0,6 de acordo com este nomograma não excede ±10%, o que é aceitável para fins tecnológicos.

Arroz. 1 Nomograma do teor de vapor de água em equilíbrio para gás em contato com água doce.

De acordo com dados experimentais sobre a influência da composição do gás no seu teor de umidade, vemos que a presença de dióxido de carbono e sulfeto de hidrogênio nos gases aumenta seu teor de umidade. A presença de nitrogênio no gás leva à diminuição do teor de umidade, pois esse componente ajuda a reduzir o desvio da mistura gasosa das leis de um gás ideal e é menos solúvel em água.

À medida que a densidade (ou peso molecular do gás) aumenta, o teor de umidade do gás diminui. Deve-se levar em conta que os gases composições diferentes podem ter a mesma densidade. Se o aumento da sua densidade ocorre devido ao aumento da quantidade de hidrocarbonetos pesados, então a diminuição do teor de umidade é explicada pela interação das moléculas desses hidrocarbonetos com as moléculas de água, o que é especialmente afetado quando pressão alta.

A presença de sais dissolvidos na água de formação reduz o teor de umidade do gás, pois quando os sais são dissolvidos na água, a pressão parcial do vapor d'água diminui. Quando a mineralização da água de formação é inferior a 2,5% (25 g/l), a diminuição do teor de umidade do gás ocorre dentro de 5%, o que possibilita a não utilização fatores de correção, pois o erro está dentro dos limites de determinação do teor de umidade de acordo com o nomograma (ver Fig. 1).

2. COMPOSIÇÃO E ESTRUTURA DE HIDRATADOS

Gás natural saturado com vapor de água, a pressão alta e a uma certa temperatura positiva é capaz de formar compostos sólidos com água - hidratos.

Ao desenvolver a maioria dos campos de gás e condensado de gás, surge o problema de combater a formação de hidratos. Significado especial Esta questão surge durante o desenvolvimento de depósitos na Sibéria Ocidental e no Extremo Norte. As baixas temperaturas dos reservatórios e as duras condições climáticas nessas áreas criam condições favoráveis ​​​​para a formação de hidratos não só em poços e gasodutos, mas também em formações, resultando na formação de depósitos de hidratos de gás.

Os hidratos de gás natural são um composto físico-químico instável de água com hidrocarbonetos, que se decompõe em gás e água com o aumento da temperatura ou com a diminuição da pressão. Por aparênciaé uma massa cristalina branca semelhante ao gelo ou neve.

Hidratos referem-se a substâncias nas quais moléculas de alguns componentes estão localizadas em cavidades de rede entre locais de moléculas associadas de outro componente. Esses compostos são geralmente chamados de soluções sólidas intersticiais e, às vezes, de compostos de inclusão.

Moléculas formadoras de hidrato nas cavidades entre os nós das moléculas de água associadas da rede de hidratação são mantidas juntas por forças atrativas de van der Waals. Os hidratos são formados na forma de duas estruturas, cujas cavidades são preenchidas parcial ou totalmente com moléculas formadoras de hidratos (Fig. 2). Na estrutura I, 46 moléculas de água formam duas cavidades com diâmetro interno de 5,2 · 10 -10 m e seis cavidades com diâmetro interno de 5,9 · 10 -10 m. Na estrutura II, 136 moléculas de água formam oito grandes cavidades com diâmetro interno de . 6,9 10 -10 me dezesseis pequenas cavidades Com diâmetro interno 4,8 10 -10 m.

Arroz. 2. Estrutura de formação de hidratos: a – tipo I; tipo b II

Ao preencher oito cavidades da rede de hidratação, a composição de hidratos de estrutura I é expressa pela fórmula 8M-46H 2 O ou M-5,75H 2 O, onde M é hidratar ex. Se apenas cavidades grandes forem preenchidas, a fórmula será 6M-46H 2 O ou M-7,67 H 2 O. Quando oito cavidades da rede de hidrato são preenchidas, a composição de hidratos de estrutura II é expressa pela fórmula 8M136 H 2 O ou M17H2O.

Fórmulas de hidratos de componentes do gás natural: CH46H2O; C2H68H2O; C3H817H2O; eu-C4H1017H2O; H2S6H2O; N26H2O; CO 2 6H 2 O. Essas fórmulas de hidratos gasosos correspondem a condições ideais, isto é, condições sob as quais todas as cavidades grandes e pequenas da rede de hidratação são preenchidas em 100%. Na prática, são encontrados hidratos mistos constituídos pelas estruturas I e II.

Condições para a formação de hidratos

Uma ideia das condições de formação de hidratos é dada pelo diagrama de fases de equilíbrio heterogêneo construído para os sistemas M-H 2 O (Fig. 3).

Arroz. 3. Diagrama de fases de hidratos de diferentes densidades relativas

No ponto COM existem quatro fases simultaneamente (/, //, ///, 4): formador de hidrato gasoso, solução líquida de formador de hidrato em água, solução de água em formador de hidrato e hidrato. No ponto de intersecção das curvas 1 e 2, correspondendo a um sistema invariante, é impossível alterar a temperatura, a pressão ou a composição do sistema sem que uma das fases desapareça. Em todas as temperaturas acima do valor correspondente no ponto COM um hidrato não pode existir, não importa quão grande seja a pressão. Portanto, o ponto C é considerado um ponto crítico para a formação de hidrato. No ponto de intersecção das curvas 2 E 3 (ponto EM) aparece um segundo ponto invariante, no qual existe um formador de hidrato gasoso, uma solução líquida do formador de hidrato em água, hidrato e gelo.

Deste diagrama segue-se que Sistema MN 2 O a formação de hidratos é possível através dos seguintes processos:

M g + eu(H 2 O) w ↔M eu(H 2 O) TV;

M g + eu(H 2 O) TV ↔M eu(H 2 O) TV;

M f + eu(H 2 O) w ↔M eu(H 2 O) TV;

TV+ eu(H 2 O) TV ↔M eu(H 2 O) TV;

Aqui Mg, Mf, Mt são os símbolos do formador de hidrato, gasoso, líquido e sólido, respectivamente; (H 2 O) l, (H 2 O) sólido – moléculas de água líquida e sólida (gelo), respectivamente; T - número de moléculas de água no hidrato.

Para educação hidratos, é necessário que a pressão parcial do vapor d'água acima do hidrato seja maior que a elasticidade desses vapores no hidrato. A mudança na temperatura de formação do hidrato é influenciada por: composição do formador de hidrato, pureza da água, turbulência, presença de centros de cristalização, etc.

Na prática, as condições de formação de hidratos são determinadas por meio de gráficos de equilíbrio (Fig. 4) ou por cálculo - por meio de constantes de equilíbrio e pelo método gráfico-analítico pela equação de Barrer-Stewart.

Arroz. 4. Curvas de equilíbrio para a formação de hidratos de gás natural em função da temperatura e pressão

Da Fig. 4 segue-se que quanto maior a densidade do gás, maior a temperatura de formação do hidrato. Porém, notamos que com o aumento da densidade do gás, a temperatura de formação do hidrato nem sempre aumenta. O gás natural com baixa densidade pode formar hidratos em temperaturas mais altas. altas temperaturas, como gás natural com densidade aumentada. Se o aumento da densidade do gás natural for influenciado por componentes não formadores de hidrato, então a temperatura de sua formação de hidrato diminui. Se diferentes componentes formadores de hidrato influenciarem, então a temperatura de formação de hidrato será maior para a composição gasosa em que predominam componentes com maior estabilidade.

As condições para a formação de hidratos de gás natural com base nas constantes de equilíbrio são determinadas pela fórmula: z= s/K, Onde z, você– fração molar do componente na fase hidratada e gasosa, respectivamente; PARA - constante de equilíbrio.

Os parâmetros de equilíbrio da formação de hidrato a partir de constantes de equilíbrio em determinadas temperaturas e pressões são calculados como segue. Primeiro, as constantes são encontradas para cada componente e, em seguida, as frações molares do componente são divididas pela constante de equilíbrio encontrada e os valores resultantes são somados. Se a soma for igual a um, o sistema está em equilíbrio termodinamicamente, se for maior que um, existem condições para a formação de hidratos; se a soma for menor que um, os hidratos não podem se formar;

Hidratos de gases de hidrocarbonetos individuais e naturais

O hidrato de metano foi obtido pela primeira vez em 1888 a uma temperatura máxima de 21,5°C. Katz e outros, estudando os parâmetros de equilíbrio (pressão e temperatura) da formação de hidrato de metano a pressões de 33,0–76,0 MPa, obtiveram hidratos de metano a uma temperatura de 28,8 °C. Um dos trabalhos observou que a temperatura de formação dos hidratos desse componente na pressão de 390 MPa aumenta para 47 °C.

3. FORMAÇÃO DE HIDRATADOS EM POÇOS E MÉTODOS PARA SUA ELIMINAÇÃO

A formação de hidratos em poços e gasodutos de campo e a escolha do método para combatê-los dependem em grande parte das temperaturas dos reservatórios, das condições climáticas e das condições de operação dos poços.

Muitas vezes, no poço, existem condições para a formação de hidratos quando a temperatura do gás, à medida que se move para cima, do fundo até a boca, fica abaixo da temperatura de formação do hidrato. Como resultado, o poço fica obstruído com hidratos.

A mudança na temperatura do gás ao longo do poço pode ser determinada usando termômetros de profundidade ou por cálculo.

A formação de hidratos no poço pode ser evitada pelo isolamento térmico da fonte ou colunas de revestimento e pelo aumento da temperatura do gás no poço usando aquecedores. A forma mais comum de prevenir a formação de hidratos é fornecer inibidores (metanol, glicóis) na corrente de gás. Às vezes, o inibidor é fornecido através do anel. A escolha do reagente depende de muitos fatores.

O local onde começa a formação de hidrato nos poços é determinado pelo ponto de intersecção da curva de equilíbrio da formação de hidrato com a curva de mudanças na temperatura do gás ao longo do poço (Fig. 8). Na prática, a formação de hidratos no poço pode ser observada por uma diminuição na pressão operacional na cabeça do poço e uma diminuição na vazão de gás. Se os hidratos não cobrirem completamente a secção do poço, a sua decomposição pode ser mais facilmente conseguida utilizando inibidores. É muito mais difícil lidar com depósitos de hidrato que bloqueiam completamente a seção transversal dos tubos da fonte e formam um tampão contínuo de hidrato. Se o tampão for curto, geralmente é eliminado soprando o poço. Com uma extensão significativa, a liberação do tampão na atmosfera é precedida de um determinado período, durante o qual ele se decompõe parcialmente com a diminuição da pressão. A duração do período de decomposição do hidrato depende do comprimento do tampão, da temperatura do gás e do ambiente. pedras. Partículas sólidas (areia, lodo, incrustações, partículas de lama, etc.) retardam a decomposição do tampão. Inibidores são usados ​​para acelerar esse processo.

Deve-se também levar em consideração que quando um tampão de hidrato se forma em uma zona de temperaturas negativas, o efeito é obtido somente quando a pressão diminui. O fato é que a água liberada durante a decomposição dos hidratos em baixa concentração de inibidor pode congelar e, em vez de hidratar, forma-se um tampão de gelo de difícil eliminação.

Se houver um engarrafamento comprimento longo formado no poço, ele pode ser eliminado usando uma circulação fechada de inibidor sobre o tampão. Como resultado, as impurezas mecânicas são removidas e uma alta concentração de inibidor fica constantemente contida na superfície do tampão de hidrato.

4. FORMAÇÃO DE HIDRATADOS EM GASODUTOS

Para combater depósitos de hidratos na produção e principais gasodutos Os mesmos métodos são usados ​​​​nos poços. Além disso, a formação de hidratos pode ser evitada através da introdução de inibidores e do isolamento térmico das plumas.

Pelos cálculos, o isolamento térmico da pluma com espuma de poliuretano de 0,5 cm de espessura com vazão média do poço de 3 milhões de m 3 /dia garante um modo de operação livre de hidratos em uma extensão de até 3 km, e com vazão de 1 milhão de m 3 /dia - até 2 km. Na prática, a espessura do isolamento térmico do laço, levando em consideração a margem, pode ser considerada na faixa de 1–1,5 cm.

Para combater a formação de hidratos durante os testes de poços, é utilizado um método que evita que eles grudem nas paredes dos tubos. Para tanto, surfactantes, condensados ​​​​ou derivados de petróleo são introduzidos no fluxo de gás. Nesse caso, um filme hidrofóbico se forma nas paredes dos tubos e os hidratos soltos são facilmente transportados pelo fluxo de gás. Surfactante, cobrindo a superfície de líquidos e sólidos nas camadas mais finas, contribui para uma mudança brusca nas condições de interação dos hidratos com a parede do tubo.

Os hidratos das soluções aquosas de surfactantes não aderem às paredes. os melhores surfactantes solúveis em água – OP-7, OP-10, OP-20 e INHP-9 – só podem ser usados ​​na faixa de temperatura positiva. Dos surfactantes solúveis em óleo, o melhor é o OP-4, um bom emulsificante.

Somando a 1 litro de derivados de petróleo (nafta, querosene, óleo diesel, condensado estável) respectivamente 10; 12,7 e 6 g de OP-4 evitam que os hidratos grudem nas paredes dos tubos. Uma mistura composta por 15–20% (em volume) de óleo solar e 80–85% de condensado estável evita depósitos de hidratos na superfície dos tubos. O consumo dessa mistura é de 5–6 litros por 1000 m 3 de gás.

Temperatura gasodutos

Após calcular a temperatura e a pressão ao longo do gasoduto e conhecer seus valores de equilíbrio, é possível determinar as condições de formação de hidratos. A temperatura do gás é calculada pela fórmula de Shukhov, que leva em consideração a troca de calor do gás com o solo. Uma fórmula mais geral que leva em conta a troca de calor com o ambiente, o efeito Joule-Thomson, bem como a influência da topografia da rota, tem a forma

Arroz. 9. Mudança na temperatura do gás ao longo de um gasoduto subterrâneo. 1 – temperatura medida; 2 – mudança de temperatura conforme fórmula (2); 3 – temperatura do solo.

Onde , – a temperatura do gás no gasoduto e no meio ambiente, respectivamente; – temperatura inicial do gás; – distância do início do gasoduto até o ponto em questão; – Coeficiente de Joule–Thomson; , – pressão no início e no final do gasoduto, respectivamente; – comprimento do gasoduto; – aceleração da gravidade; – a diferença de cota entre os pontos final e inicial do gasoduto; – capacidade calorífica do gás a pressão constante; – coeficiente de transferência de calor para o meio ambiente; – diâmetro do gasoduto; –densidade do gás; – fluxo volumétrico de gás.

Para gasodutos horizontais, a fórmula (1) é simplificada e tem a forma

(2)

Cálculos e observações mostram que a temperatura do gás ao longo do gasoduto se aproxima gradualmente da temperatura do solo (Fig. 9).

A equalização das temperaturas do gasoduto e do solo depende de muitos fatores. A distância onde a diferença nas temperaturas dos gases na tubulação e no solo se torna imperceptível pode ser determinada se na equação (2) aceitarmos e .

(3)

Por exemplo, de acordo com dados calculados, em um gasoduto subaquático com diâmetro de 200 mm e capacidade de vazão de 800 mil m 3 /dia, a temperatura do gás equaliza a temperatura da água a uma distância de 0,5 km, e em um gasoduto subterrâneo gasoduto com os mesmos parâmetros - a uma distância de 17 km.

5. PREVENÇÃO E COMBATE A HIDRATADOS DE GÁS NATURAL

Um método eficaz e confiável de prevenir a formação de hidratos é secar o gás antes de entrar na tubulação. É necessário que a secagem seja realizada até o ponto de orvalho que garanta o transporte normal do gás. Como regra, a secagem é realizada até um ponto de orvalho 5–6°C abaixo da temperatura mínima possível do gás no gasoduto. O ponto de orvalho deve ser selecionado levando em consideração as condições para garantir o fornecimento confiável de gás ao longo de todo o trajeto do gás do campo até o consumidor.

Injeção de inibidores usados ​​na eliminação de tampões de hidrato

A localização da formação de um tampão de hidrato geralmente pode ser determinada pelo aumento da queda de pressão em uma determinada seção do gasoduto. Se o bujão não for sólido, um inibidor é introduzido na tubulação através de tubos especiais, acessórios para manômetros ou através de um bujão de purga. Se se formarem tampões de hidrato contínuos de comprimento curto na tubulação, eles poderão, às vezes, ser eliminados da mesma maneira. Quando o tampão tem centenas de metros de comprimento, várias janelas são cortadas no tubo acima do tampão de hidrato e metanol é derramado através delas. Então o tubo é soldado novamente.

Arroz. 10. Dependência do ponto de congelamento da água da concentração da solução. Inibidores: 1-glicerol; 2–TEG; 3 graus; 4 – GE; 5–C2H5OH; 7–NaCl; 8– CaCI 2 ; 9–MgCl2.

Para decompor rapidamente um tampão de hidrato, é usado um método combinado; simultaneamente com a introdução do inibidor na zona de formação de hidrato, a pressão diminui.

Eliminação de tampões de hidrato usando método de redução de pressão. A essência deste método é perturbar o estado de equilíbrio dos hidratos, resultando na sua decomposição. A pressão é reduzida de três maneiras:

– desligue o trecho do gasoduto onde se formou o tampão e passe o gás pelas velas de ambos os lados;

– fechar a válvula linear de um lado e liberar para a atmosfera o gás contido entre o tampão e uma das válvulas fechadas;

– desligar um trecho do gasoduto em ambos os lados do bujão e liberar para a atmosfera o gás contido entre o bujão e uma das válvulas de corte.

Após a decomposição dos hidratos, leva-se em consideração: a possibilidade de acúmulo de hidrocarbonetos líquidos na área soprada e a formação de repetidos tampões de hidrato-gelo devido à queda acentuada da temperatura.

Em temperaturas negativas, o método de redução de pressão em alguns casos não atinge o efeito desejado, pois a água formada a partir da decomposição dos hidratos se transforma em gelo e forma um tampão de gelo. Neste caso, o método de redução de pressão é utilizado em combinação com a liberação de inibidores na tubulação. A quantidade de inibidor deve ser tal que a uma determinada temperatura a solução do inibidor introduzido e da água resultante da decomposição dos hidratos não congele (Fig. 10).

A decomposição de hidratos pela redução da pressão em combinação com a introdução de inibidores ocorre muito mais rapidamente do que quando se utiliza qualquer um dos métodos separadamente.

Eliminação de tampões de hidrato em tubulações de produtos naturais e gases liquefeitos método de aquecimento. Com este método, aumentar a temperatura acima da temperatura de equilíbrio de formação de hidratos leva à sua decomposição. Na prática, o gasoduto é aquecido água quente ou balsa. Estudos demonstraram que aumentar a temperatura no ponto de contato entre o hidrato e o metal para 30–40°C é suficiente para a rápida decomposição dos hidratos.

Inibidores para combater a formação de hidratos

Na prática, o metanol e os glicóis são amplamente utilizados para combater a formação de hidratos. Às vezes são utilizados hidrocarbonetos líquidos, surfactantes, água de formação, uma mistura de vários inibidores, por exemplo metanol com soluções de cloreto de cálcio, etc.

O metanol tem alto grau redução da temperatura de formação de hidrato, capacidade de decompor rapidamente tampões de hidrato já formados e misturar com água em qualquer proporção, baixa viscosidade e baixo ponto de congelamento.

O metanol é um veneno forte; mesmo que uma pequena dose entre no corpo, pode ser fatal, por isso é necessário cuidado especial ao trabalhar com ele.

Glicóis (etilenoglicol, dietilenoglicol, trietilenoglicol) são frequentemente usados ​​para secagem de gás e como inibidores para controlar depósitos de hidratos. O inibidor mais comum é o dietilenoglicol, embora o uso do etilenoglicol seja mais eficaz: suas soluções aquosas apresentam menor ponto de congelamento, menor viscosidade e baixa solubilidade em gases hidrocarbonetos, o que reduz significativamente suas perdas.

A quantidade de metanol necessária para evitar a formação de hidratos em gases liquefeitos, pode ser determinado Por o cronograma mostrado na Fig. 12. Para determinar o consumo de metanol necessário para evitar a formação de hidratos em gases naturais e liquefeitos, proceda da seguinte forma. Para o seu consumo encontrado na Fig. 11 e 12, deve ser adicionada a quantidade de metanol que passa para a fase gasosa. A quantidade de metanol na fase gasosa excede significativamente o seu conteúdo na fase líquida.

COMBATE ÀS FORMAÇÕES DE HIDRATO NAS PRINCIPAIS GÁSDUTOS

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

A formação de hidratos cristalinos em um gasoduto ocorre quando o gás está completamente saturado com vapor d'água a uma determinada pressão e temperatura. Hidratos cristalinos são compostos instáveis ​​de hidrocarbonetos com água. Na aparência, parecem neve comprimida. Os hidratos extraídos do gasoduto se desintegram rapidamente em gás e água no ar.

A formação de hidratos é facilitada pela presença de água no gasoduto, que hidrata o gás, objetos estranhos que estreitam a seção transversal do gasoduto, além de terra e areia, cujas partículas servem como centros de cristalização. Não é de pouca importância o conteúdo de outros gases hidrocarbonetos no gás natural além do metano (C 3 H 8, C 4 H 10, H 2 S).

Sabendo em que condições os hidratos se formam em um gasoduto (composição do gás, ponto de orvalho - temperatura na qual a umidade contida no gás se condensa, pressão e temperatura do gás ao longo do percurso), é possível tomar medidas para evitar sua formação . Na luta contra os hidratos, o mais de uma forma radicalé a desidratação do gás na cabeceira do gasoduto até um ponto de orvalho que seria 5–7°C abaixo da temperatura mais baixa possível do gás no gasoduto em período de inverno.

Em caso de secagem insuficiente ou na sua ausência, para evitar a formação e destruição dos hidratos formados, são utilizados inibidores que absorvem o vapor de água do gás e o tornam incapaz de formar hidratos a uma determinada pressão, como o álcool metílico (. metanol–CH 3 OH ), soluções de etilenoglicol, dietilenoglicol, trietilenoglicol, cloreto de cálcio Dos inibidores listados, o metanol é frequentemente usado nos principais gasodutos.

Para destruir os hidratos formados, é usado um método para reduzir a pressão na seção do gasoduto para uma pressão próxima da atmosférica (não inferior a 200–500 Pa em excesso). O tampão de hidrato é destruído em um período de 20 a 30 minutos a várias horas, dependendo da natureza e do tamanho do tampão e da temperatura do solo. No site com temperatura negativa No solo, a água resultante da decomposição dos hidratos pode congelar, formando um tampão de gelo, muito mais difícil de eliminar do que um tampão de hidrato. Para acelerar a destruição do tampão e evitar a formação de gelo, o método descrito é usado simultaneamente com um vazamento único de uma grande quantidade de metanol.

O aumento das quedas de pressão no gasoduto é detectado pelas leituras dos manômetros instalados nas torneiras ao longo do percurso do gasoduto. Os gráficos de queda de pressão são traçados com base nas leituras do manômetro. Se você medir a pressão ao longo de uma seção de comprimento / ao mesmo tempo e traçar os valores dos quadrados da pressão absoluta em um gráfico com coordenadas página 2(MPa)- eu(km), então todos os pontos devem estar na mesma linha reta (Fig. 13). O desvio da reta do gráfico mostra uma área com queda de pressão anormal, onde ocorre o processo de formação de hidrato.

Caso seja detectada queda de pressão anormal no gasoduto, normalmente é colocada em operação a unidade de metanol ou, na ausência desta, é feito um enchimento único de metanol através de uma vela, para a qual é soldada uma torneira para a extremidade superior da vela. Quando a torneira inferior é fechada, o metanol é derramado na vela através da torneira superior. Em seguida, a torneira superior fecha e a torneira inferior abre. Depois que o metanol flui para o gasoduto, a válvula inferior fecha. Para preencher a quantidade necessária de metanol, esta operação é repetida várias vezes.

Fornecer metanol através de um tanque de metanol e despejar metanol de cada vez pode não produzir o efeito desejado ou, a julgar pela magnitude e rápido aumento da queda de pressão, existe o risco de bloqueio. Usando este método, uma grande quantidade de metanol é despejada simultaneamente e o gás é purgado ao longo do fluxo de gás. A quantidade de metanol despejada em uma seção de um gasoduto com comprimento de 20 a 25 km e diâmetro de 820 mm é de 2 a 3 toneladas. O metanol é derramado através de uma vela no início da seção, após o que as torneiras em. o início e o fim do trecho são fechados, o gás é liberado na atmosfera através da vela em frente à torneira no final do local.

Em uma situação mais difícil, após o enchimento com metanol, o trecho do gasoduto é fechado fechando as torneiras em ambas as extremidades, o gás é descarregado através de velas em ambas as extremidades, reduzindo a pressão quase à atmosférica (não inferior ao excesso 200–500 Pa). Após algum tempo, durante o qual o tampão de hidratação deve colapsar na ausência de pressão e sob a influência do metanol, abra a torneira no início da seção e sopre através do tampão no final da seção para mover o tampão de seu lugar . Eliminar um tampão de hidrato por sopro não é seguro, pois se ele quebrar repentinamente, podem ocorrer altas vazões de gás no gasoduto, arrastando os restos do tampão destruído. É necessário monitorar cuidadosamente a pressão na área antes e depois do tampão para evitar uma diferença muito grande. Se houver uma grande diferença, indicando que uma parte significativa da seção transversal do tubo está bloqueada, a localização da formação do tampão pode ser facilmente determinada pelo ruído característico que ocorre durante o estrangulamento do gás, que pode ser ouvido na superfície do terra. Quando um gasoduto está completamente bloqueado, não há ruído.

Há apenas alguns anos, a teoria do “esgotamento dos hidrocarbonetos” era popular entre os economistas, ou seja, pessoas distantes da tecnologia. Muitas publicações que compõem a cor da elite financeira global discutiram: como será o mundo se o planeta ficar sem petróleo em breve, por exemplo? E quais serão os preços quando o processo de “exaustão” entrar, por assim dizer, na fase ativa?

No entanto, a “revolução do xisto”, que está a acontecer neste momento literalmente diante dos nossos olhos, retirou este tópico pelo menos para segundo plano. Ficou claro para todos o que apenas alguns especialistas haviam dito anteriormente: ainda existem hidrocarbonetos suficientes no planeta. É claramente muito cedo para falar sobre o seu esgotamento físico.

A verdadeira questão é o desenvolvimento de novas tecnologias de produção que permitam extrair hidrocarbonetos de fontes antes consideradas inacessíveis, bem como o custo dos recursos obtidos com a sua ajuda. Você pode conseguir quase tudo, só será mais caro.

Tudo isto obriga a humanidade a procurar novas “fontes não convencionais de combustível tradicional”. Um deles é o gás de xisto mencionado acima. A GAZTechnology já escreveu mais de uma vez sobre diversos aspectos relacionados à sua produção.

No entanto, existem outras fontes desse tipo. Entre eles estão os “heróis” do material de hoje – os hidratos de gás.

O que é? No sentido mais geral, os hidratos gasosos são compostos cristalinos formados a partir de gás e água a uma determinada temperatura (bastante baixa) e pressão (bastante alta).

Nota: uma variedade de pessoas pode participar de sua educação. produtos químicos. Não estamos necessariamente a falar especificamente de hidrocarbonetos. Os primeiros hidratos gasosos observados pelos cientistas consistiam em cloro e dióxido de enxofre. Isso aconteceu, aliás, no final do século XVIII.

Contudo, como estamos interessados aspectos práticos relacionados à produção de gás natural, falaremos aqui principalmente de hidrocarbonetos. Além disso, em condições reais, os hidratos de metano predominam entre todos os hidratos.

De acordo com estimativas teóricas, as reservas desses cristais são literalmente incríveis. Segundo as estimativas mais conservadoras, estamos falando de 180 trilhões de metros cúbicos. Estimativas mais otimistas dão um número 40 mil vezes maior. Dados esses indicadores, você concordará que é um tanto inconveniente falar sobre a esgotabilidade dos hidrocarbonetos na Terra.

Deve-se dizer que a hipótese sobre a presença de enormes depósitos no permafrost siberiano hidratos de gás foi apresentado por cientistas soviéticos na terrível década de 40 do século passado. Algumas décadas depois, encontrou sua confirmação. E no final dos anos 60, começou até o desenvolvimento de uma das jazidas.

Posteriormente, os cientistas calcularam: a zona em que os hidratos de metano são capazes de permanecer em um estado estável cobre 90% de todo o mar e fundo oceânico da Terra e mais 20% da terra. Acontece que estamos falando de um recurso mineral potencialmente difundido.

A ideia de extrair “gás sólido” parece realmente atraente. Além disso, uma unidade de volume de hidrato contém cerca de 170 volumes do próprio gás. Ou seja, parece que basta obter poucos cristais para obter um grande rendimento de hidrocarbonetos. Do ponto de vista físico, eles estão no estado sólido e representam algo como neve solta ou gelo.

O problema, porém, é que os hidratos gasosos geralmente estão localizados em locais de difícil acesso. “Os depósitos intra-permafrost contêm apenas uma pequena parte dos recursos de gás associados aos hidratos de gás natural. A maior parte dos recursos está confinada à zona de estabilidade do hidrato gasoso - aquele intervalo de profundidade (geralmente as primeiras centenas de metros) onde ocorrem as condições termodinâmicas para a formação do hidrato. No norte da Sibéria Ocidental este é um intervalo de profundidade de 250-800 m, nos mares - da superfície do fundo até 300-400 m, em áreas especialmente profundas da plataforma e talude continental até 500-600 m abaixo o fundo. Foi nesses intervalos que a maior parte dos hidratos de gás natural foi descoberta”, relata a Wikipedia. Assim, estamos falando, via de regra, de trabalhar em condições extremas de profundidade, sob alta pressão.

A extração de hidratos gasosos pode apresentar outras dificuldades. Tais compostos são capazes, por exemplo, de detonar mesmo com choques leves. Eles rapidamente se transformam em estado gasoso, o que em um volume limitado pode causar picos repentinos de pressão. Segundo fontes especializadas, são precisamente estas propriedades dos hidratos de gás que se tornaram fonte de graves problemas para as plataformas de produção no Mar Cáspio.

Além disso, o metano é um dos gases que podem criar efeito estufa. Se a produção industrial provocar emissões massivas na atmosfera, isso poderá agravar o problema do aquecimento global. Mas mesmo que isso não aconteça na prática, a atenção estreita e hostil dos “verdes” a tais projectos está praticamente garantida. E as suas posições no espectro político de muitos estados são hoje muito, muito fortes.

Tudo isso dificulta extremamente os projetos de desenvolvimento de tecnologias de extração de hidratos de metano. Na verdade, de verdade métodos industriais Ainda não há desenvolvimento de tais recursos no planeta. No entanto, desenvolvimentos relevantes estão em curso. Existem até patentes concedidas aos inventores de tais métodos. Sua descrição às vezes é tão futurística que parece copiada de um livro de ficção científica.

Por exemplo, “Um método para extrair hidrocarbonetos hidratados gasosos do fundo de bacias hidrográficas e um dispositivo para sua implementação (patente RF nº 2431042)”, estabelecido no site http://www.freepatent.ru/: “O A invenção refere-se ao campo de mineração de minerais localizados no fundo do mar. O resultado técnico é aumentar a produção de hidrocarbonetos hidratados gasosos. O método consiste em destruir a camada inferior com as arestas vivas de baldes montados em uma correia transportadora vertical que se move ao longo do fundo da piscina por meio de um motor de lagarta, em relação ao qual a correia transportadora se move verticalmente, podendo ser enterrada no fundo . Nesse caso, o hidrato de gás é elevado até uma área isolada da água pela superfície de um funil virado, onde é aquecido, e o gás liberado é transportado para a superfície por meio de uma mangueira fixada no topo do funil, submetendo-o para aquecimento adicional. Um dispositivo para implementar o método também é proposto.” Nota: tudo isto deve acontecer na água do mar, a várias centenas de metros de profundidade. É difícil imaginar a complexidade disso problema de engenharia, e quanto pode custar o metano produzido desta forma.

Existem, no entanto, outras maneiras. Aqui está a descrição de outro método: “Existe um método conhecido para extrair gases (metano, seus homólogos, etc.) de hidratos de gases sólidos nos sedimentos de fundo de mares e oceanos, no qual duas colunas de tubos são imersas em um poço perfurado até o fundo da camada de hidrato de gás identificada - uma injeção e um bombeamento. Água natural em temperatura natural ou aquecido, entra pelo tubo de injeção e decompõe os hidratos gasosos em um sistema “gás-água”, que se acumula em uma armadilha esférica formada no fundo da formação de hidratos gasosos. Através de outra coluna de tubos, os gases libertados são bombeados para fora desta armadilha... A desvantagem do método conhecido é a necessidade de perfuração subaquática, que é tecnicamente onerosa, dispendiosa e por vezes introduz perturbações irreparáveis ​​no ambiente subaquático existente do reservatório” (http://www.findpatent.ru).

Outras descrições deste tipo podem ser fornecidas. Mas pelo que já foi listado fica claro: a produção industrial de metano a partir de hidratos de gás ainda é uma questão de futuro. Exigirá as soluções tecnológicas mais complexas. E a economia de tais projectos ainda não é óbvia.

No entanto, o trabalho nessa direção está em andamento e de forma bastante ativa. Eles estão especialmente interessados ​​em países localizados nos países de crescimento mais rápido e, portanto, cada vez mais exigentes. combustível de gás região do mundo. Estamos, obviamente, a falar do Sudeste Asiático.

Um dos estados que trabalham nessa direção é a China. Assim, segundo o jornal People's Daily, em 2014, geólogos marinhos realizaram estudos em larga escala de um dos sítios localizados perto da sua costa. A perfuração mostrou que contém hidratos gasosos de alta pureza. Foram feitos um total de 23 poços. Isso permitiu constatar que a área de distribuição de hidratos gasosos na área é de 55 quilômetros quadrados. E suas reservas, segundo especialistas chineses, chegam a 100-150 trilhões de metros cúbicos. O número apresentado, falando francamente, é tão grande que nos faz pensar se é demasiado optimista e se tais recursos podem realmente ser extraídos (as estatísticas chinesas em geral levantam frequentemente questões entre os especialistas). No entanto, é óbvio: os cientistas chineses estão a trabalhar activamente neste sentido, procurando formas de fornecer à sua economia em rápido crescimento os tão necessários hidrocarbonetos. A situação no Japão é, obviamente, muito diferente da da China. No entanto, fornecer combustível à Terra do Sol Nascente, mesmo em tempos mais calmos, não era de forma alguma uma tarefa trivial. Afinal, o Japão está privado de recursos tradicionais. E depois da tragédia na central nuclear de Fukushima, em Março de 2011, que pressionou as autoridades do país opinião pública

cortar programas de energia nuclear, este problema agravou-se quase até ao limite.

É por isso que, em 2012, uma das empresas japonesas começou a testar perfurações no fundo do oceano, a uma distância de apenas algumas dezenas de quilómetros das ilhas. A profundidade dos poços é de várias centenas de metros. Além da profundidade do oceano, que naquele local tem cerca de um quilômetro.

É preciso admitir que um ano depois especialistas japoneses conseguiram obter o primeiro gás neste local. Porém, ainda não é possível falar em sucesso total. A produção industrial nesta área, segundo os próprios japoneses, não poderá começar antes de 2018. E o mais importante, é difícil estimar qual será o custo final do combustível.

Não é segredo que actualmente as fontes tradicionais de hidrocarbonetos estão cada vez mais esgotadas, e este facto faz a humanidade pensar no sector energético do futuro. Portanto, os vetores de desenvolvimento de muitos players do mercado internacional de petróleo e gás visam o desenvolvimento de jazidas de hidrocarbonetos não convencionais.

Após a “revolução do xisto”, o interesse por outros tipos de gás natural não convencional, como os hidratos de gás (GH), aumentou acentuadamente.

O que são hidratos gasosos?

Os hidratos de gás têm aparência muito semelhante à neve ou gelo solto, que contém a energia do gás natural em seu interior. Se olharmos de um ponto de vista científico, os hidratos de gás (também chamados de clatratos) são várias moléculas de água que contêm uma molécula de metano ou outro gás hidrocarboneto dentro de seu composto. Os hidratos gasosos são formados a certas temperaturas e pressões, o que torna possível que esse “gelo” exista a temperaturas positivas.

A formação de depósitos de hidratos de gás (plugs) dentro de diversas instalações de produção de petróleo e gás é a causa de acidentes grandes e frequentes. Por exemplo, de acordo com uma versão, a causa do maior acidente no Golfo do México na plataforma Deepwater Horizon foi um tampão de hidrato que se formou em uma das tubulações.

Graças ao seu propriedades únicas, nomeadamente, a elevada concentração específica de metano em compostos, elevada prevalência ao longo das costas, os hidratos de gás natural desde meados do século XIX são considerados a principal fonte de hidrocarbonetos na Terra, ascendendo a aproximadamente 60% das reservas totais. Estranho, não é? Afinal de contas, estamos habituados a ouvir falar nos meios de comunicação social apenas sobre gás natural e petróleo, mas talvez nos próximos 20-25 anos a luta seja por outro recurso.

Para compreender a escala completa dos depósitos de hidratos gasosos, digamos que, por exemplo, o volume total de ar na atmosfera da Terra seja 1,8 vezes menor que os volumes estimados de hidratos gasosos. As principais acumulações de hidratos de gás estão localizadas nas proximidades da Península de Sakhalin, das zonas de plataforma dos mares do norte da Rússia, da encosta norte do Alasca, perto das ilhas do Japão e da costa sul da América do Norte.

A Rússia contém cerca de 30.000 trilhões. cubo m de gás hidratado, que é três ordens de grandeza superior ao volume atual do gás natural tradicional (32,6 trilhões de metros cúbicos).

Uma questão importante é a componente económica no desenvolvimento e comercialização de hidratos gasosos. É muito caro obtê-los hoje.

Se hoje nossos fogões e caldeiras fossem abastecidos com gás doméstico extraído de hidratos de gás, 1 metro cúbico custaria aproximadamente 18 vezes mais.

Como eles são extraídos?

Clatratos podem ser extraídos hoje de várias maneiras. Existem dois grupos principais de métodos - extração gasosa e extração em estado sólido.

O mais promissor é considerado a produção no estado gasoso, nomeadamente o método de despressurização. Eles abrem um depósito onde estão localizados os hidratos de gás, a pressão começa a cair, o que desequilibra a “neve gasosa”, e ela começa a se desintegrar em gás e água. Esta tecnologia Os japoneses já o utilizaram em seu projeto piloto.

Os projectos russos de investigação e desenvolvimento de hidratos de gás começaram durante a era soviética e são considerados fundamentais nesta área. Devido à descoberta de um grande número de campos tradicionais de gás natural, caracterizados pela atratividade económica e acessibilidade, todos os projetos foram suspensos e a experiência acumulada foi transferida para investigadores estrangeiros, deixando muitos desenvolvimentos promissores sem trabalho.

Onde os hidratos gasosos são usados?

Um recurso energético pouco conhecido, mas muito promissor, pode ser utilizado não apenas para aquecer fogões e cozinhar. O resultado atividade de inovação pode ser considerada uma tecnologia de transporte de gás natural em estado hidratado (GNV). Parece muito complicado e assustador, mas na prática tudo é mais do que claro. O homem teve a ideia de “embalar” o gás natural extraído não em uma tubulação ou nos tanques de um navio-tanque de GNL (gás natural liquefeito), mas em uma concha de gelo, ou seja, fabricar hidratos de gás artificiais para transportar gás ao consumidor.

Com volumes comparáveis ​​de fornecimento comercial de gás, estas tecnologias consumir 14% menos energia do que tecnologias de liquefação de gás (para transporte de curta distância) e 6% menos quando transportados por distâncias de vários milhares de quilômetros, exigem a menor redução na temperatura de armazenamento (-20 graus C versus -162). Resumindo todos os fatores, podemos concluir - transporte de hidrato de gás mais econômico transporte liquefeito em 12-30%.

Com o transporte de gás hidratado, o consumidor recebe dois produtos: metano e água doce (destilada), o que torna esse transporte de gás especialmente atrativo para consumidores localizados em regiões áridas ou polares (para cada 170 metros cúbicos de gás há 0,78 metros cúbicos de água). .

Resumindo, podemos dizer que os hidratos de gás são o principal recurso energético do futuro à escala global e também trazem enormes perspectivas para o complexo de petróleo e gás do nosso país. Mas estas são perspectivas muito clarividentes, cujo efeito poderemos ver dentro de 20, ou mesmo 30 anos, e não antes.

Sem participar no desenvolvimento em larga escala de hidratos de gás, o complexo petrolífero e de gás russo poderá enfrentar alguns riscos significativos. Infelizmente, os actuais preços baixos dos hidrocarbonetos e a crise económica põem cada vez mais em causa os projectos de investigação e o início do desenvolvimento industrial dos hidratos de gás, especialmente no nosso país.

Durante anos, os cientistas soviéticos levantaram hipóteses sobre a presença de depósitos de hidratos de gás na zona de permafrost (Strizhov, Mokhnatkin, Chersky). Na década de 1960, também descobriram as primeiras jazidas de hidratos de gás no norte da URSS. Ao mesmo tempo, a possibilidade de formação e existência de hidratos em condições naturais é confirmada em laboratório (Makogon).

A partir daí, os hidratos gasosos passam a ser considerados uma potencial fonte de combustível. Segundo várias estimativas, as reservas de hidrocarbonetos terrestres em hidratos variam de 1,8⋅10 5 a 7,6⋅10 9 km³. Revela-se sua ampla distribuição nos oceanos e na zona de permafrost dos continentes, instabilidade com o aumento da temperatura e diminuição da pressão.

Hoje em dia, os hidratos de gás natural estão atraindo atenção especial como possível fonte de combustíveis fósseis, bem como como participante nas mudanças climáticas (ver Hipótese da Arma de Hidrato de Metano).

YouTube enciclopédico

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✪ Formação de hidratos, prevenção da formação de hidratos. Hidrato

✪ Descoberta de hidratos gasosos no Lago Baikal. O.M. Khlystov

✪ Hidratos de gás parte 2

Legendas

Propriedades dos hidratos

Os hidratos de gás natural são minerais metaestáveis, cuja formação e decomposição dependem da temperatura, pressão, composição química gás e água, propriedades de meios porosos, etc.

Tipo de estrutura	Cavidades	Fórmula de célula unitária	Parâmetros celulares,	Exemplo de molécula convidada
Cúbico KS-I	D, T	6T x 2D x 46H2O	uma = 12	Capítulo 4
KS-II	H, D	8H x 16D x 136H2O	uma = 17,1	C3H8, THF
TS-I tetragonal	P, T, D	4P x 16T x 10D x 172H2O	uma = 12,3 c = 10,2	(em alta pressão), Br 2
Hexagonal GS-III	E, D, D"	E x 3D x 2D" x 34H2O	uma = 23,5 c = 12,3	C 10 H 16 + CH 4

Hidratos de gás na natureza

A maioria dos gases naturais (CH 4, C 2 H 6, C 3 H 8, CO 2, N 2, H 2 S, isobutano, etc.) formam hidratos, que existem sob certas condições termobáricas. A área de sua existência está confinada aos sedimentos do fundo do mar e às áreas de permafrost. Os hidratos de gás natural predominantes são os hidratos de metano e dióxido de carbono.

Durante a produção de gás, hidratos podem se formar em poços, comunicações industriais e gasodutos principais. Depositados nas paredes dos tubos, os hidratos os reduzem drasticamente rendimento. Para combater a formação de hidratos em campos de gás, vários inibidores são introduzidos em poços e dutos (álcool metílico, glicóis, solução de CaCl 2 a 30%), e também mantêm a temperatura do fluxo de gás acima da temperatura de formação de hidrato usando aquecedores, isolamento térmico de dutos e seleção de modos de operação, proporcionando a temperatura máxima do fluxo de gás. Para evitar a formação de hidratos nos gasodutos principais, a secagem do gás é a mais eficaz - limpar o gás do vapor d'água.

Pesquisa científica

EM últimos anos O interesse pelo problema dos hidratos gasosos em todo o mundo aumentou significativamente. O aumento da atividade de investigação é explicado pelos seguintes fatores principais:

• intensificar a busca por fontes alternativas de matérias-primas de hidrocarbonetos em países que não possuem recursos energéticos, uma vez que os hidratos de gás são uma fonte não convencional de matérias-primas de hidrocarbonetos, cujo desenvolvimento industrial piloto poderá começar nos próximos anos;
• a necessidade de avaliar o papel dos hidratos de gás nas camadas próximas da superfície da geosfera, especialmente em relação ao seu possível impacto nas alterações climáticas globais;
• estudando os padrões de formação e decomposição de hidratos gasosos em crosta terrestre num sentido teórico geral, para justificar a procura e exploração de depósitos tradicionais de hidrocarbonetos (as ocorrências de hidratos naturais podem servir como marcadores de depósitos convencionais mais profundos de petróleo e gás);
• desenvolvimento ativo de depósitos de hidrocarbonetos localizados em condições naturais difíceis (plataforma marítima profunda, regiões polares), onde o problema dos hidratos de gás produzidos pelo homem está se tornando mais agudo;
• a viabilidade de reduzir custos operacionais para evitar a formação de hidratos em sistemas de produção de gás de campo através da transição para tecnologias que economizam recursos energéticos e que respeitam o meio ambiente;
• a possibilidade de utilização de tecnologias de hidratos de gás no desenvolvimento, armazenamento e transporte de gás natural.

Nos últimos anos (após uma reunião na Gazprom OJSC em 2003), a investigação sobre hidratos na Rússia continuou em várias organizações, tanto através do financiamento do orçamento do Estado (dois projectos de integração da Secção Siberiana da Academia Russa de Ciências, pequenas subvenções da Fundação Russa para Pesquisa Básica, uma bolsa do governador de Tyumen, uma bolsa do Ministério de Educação Superior da Federação Russa), e através de bolsas de fundos internacionais - INTAS, SRDF, UNESCO (no âmbito do programa “universidade flutuante” - expedições marítimas sob sob os auspícios da UNESCO sob o lema Treinamento através da Pesquisa), COMEX (Experimento Kurele-Okhotsk-Marine), ChAOS (Acumulação de Hidrato de Carbono no Mar de Okhotsk), etc.

Em 2002-2004 A investigação sobre fontes não convencionais de hidrocarbonetos, incluindo hidratos de gás (tendo em conta os interesses comerciais da Gazprom OJSC), continuou na Gazprom VNIIGAZ LLC e na Promgaz OJSC com uma pequena escala de financiamento.

Atualmente [ Quando?] a pesquisa sobre hidratos de gás é realizada na OJSC Gazprom (principalmente na LLC Gazprom VNIIGAZ), em institutos Academia Russa ciências, nas universidades.

A pesquisa sobre problemas geológicos e tecnológicos de hidratos gasosos começou em meados dos anos 60 por especialistas da VNIIGAZ. A princípio foram levantadas e resolvidas questões tecnológicas de prevenção da formação de hidratos, depois o tema foi se ampliando gradativamente: os aspectos cinéticos da formação de hidratos foram incluídos na esfera de interesse, depois foi dada significativa atenção aos aspectos geológicos, em particular às possibilidades de existência de depósitos de hidratos de gás e os problemas teóricos de seu desenvolvimento.

Estudos geológicos de hidratos gasosos

A próxima etapa da pesquisa sobre a termodinâmica da formação de hidratos está associada ao desenvolvimento dos gigantescos depósitos do norte - Urengoy e Yamburg. Para melhorar os métodos de prevenção da formação de hidratos em relação aos sistemas de coleta e processamento em campo de gases contendo condensado, eram necessários dados experimentais sobre as condições de formação de hidratos em soluções de metanol altamente concentradas em uma ampla faixa de temperaturas e pressões. No decurso de estudos experimentais (V.A. Istomin, D.Yu. Stupin, etc.), foram reveladas sérias dificuldades metodológicas na obtenção de dados representativos a temperaturas inferiores a -20 °C. Nesse sentido, foi desenvolvida uma nova técnica para estudar o equilíbrio de fases de hidratos gasosos de misturas gasosas multicomponentes com registro de fluxos de calor na câmara de hidratos e ao mesmo tempo a possibilidade da existência de formas metaestáveis ​​​​de hidratos gasosos (no estágio de sua formação) foi descoberto, o que foi confirmado por estudos posteriores de autores estrangeiros. A análise e generalização de novos dados experimentais e de campo (nacionais e estrangeiros) permitiram desenvolver (V. A. Istomin, V. G. Kvon, A. G. Burmistrov, V. P. Lakeev) instruções para o consumo ideal de inibidores de formação de hidratos (1987).

Perspectivas para o uso de tecnologias de hidrato de gás na indústria

As propostas tecnológicas para armazenamento e transporte de gás natural em estado hidratado surgiram na década de 40 do século XX. A propriedade dos hidratos gasosos de concentrar volumes significativos de gás a pressões relativamente baixas tem atraído a atenção de especialistas há muito tempo. Cálculos económicos preliminares demonstraram que o transporte marítimo de gás em estado hidratado é o mais eficaz e que podem ser alcançados benefícios económicos adicionais vendendo simultaneamente o gás transportado aos consumidores e água limpa remanescente após a decomposição do hidrato (durante a formação dos hidratos gasosos, a água é limpa de impurezas). Atualmente, os conceitos de transporte marítimo de gás natural no estado hidratado em condições de equilíbrio estão sendo considerados, especialmente no planejamento do desenvolvimento de campos de gás em alto mar (incluindo hidrato) distantes do consumidor.

Universidade Nacional de Recursos Minerais Mineração

Supervisor científico: Yuri Vladimirovich Gulkov, Candidato em Ciências Técnicas, Universidade Nacional de Mineração de Recursos Minerais

Anotação:

Este artigo discute as propriedades químicas e físicas dos hidratos gasosos, a história de seu estudo e pesquisa. Além disso, são considerados os principais problemas que impedem a organização da produção comercial de hidratos gasosos.

Neste artigo descrevemos as características químicas e físicas dos hidratos gasosos, a história de seu estudo e pesquisa. Além disso, são considerados os problemas básicos que dificultam a organização da produção comercial de hidratos gasosos.

Palavras-chave:

hidratos gasosos; energia; mineração comercial; problemas.

hidratos gasosos; engenharia de energia; extração comercial; problemas.

UDC 622.324

Introdução

Inicialmente, o homem utilizou sua própria força como fonte de energia. Depois de algum tempo, a energia da madeira e da matéria orgânica veio em socorro. Há cerca de um século, o carvão tornou-se o principal recurso energético; 30 anos depois, a sua primazia foi partilhada pelo petróleo. Hoje, o sector energético mundial baseia-se na tríade gás-óleo-carvão. No entanto, em 2013, este equilíbrio foi transferido para o gás pelos trabalhadores japoneses do setor energético. Japão - mundo líder nas importações de gás. Corporação estatalóleo, gás e metais (JOGMEC) (Japan Oil, Gas & Metals National Corp.) foi a primeira no mundo a obter gás a partir de hidrato de metano no fundo Oceano Pacífico de uma profundidade de 1,3 quilômetros. A produção experimental durou apenas 6 semanas, apesar de o plano considerar a produção de duas semanas, foram produzidos 120 mil metros cúbicos de gás natural. Esta descoberta permitirá ao país tornar-se independente das importações e mudar fundamentalmente a sua economia. O que é hidrato de gás e como ele pode afetar a energia global?

O objetivo deste artigo é considerar problemas no desenvolvimento de hidratos gasosos.

Para conseguir isso, foram definidas as seguintes tarefas:

• Explore a história da pesquisa de hidratos de gás
• Estude propriedades químicas e físicas
• Considere os principais problemas de desenvolvimento

Relevância

Os recursos tradicionais não estão distribuídos uniformemente pela Terra e também são limitados. De acordo com estimativas modernas, as reservas de petróleo, pelos padrões de consumo atuais, durarão 40 anos e os recursos energéticos de gás natural, 60-100. As reservas mundiais de gás de xisto são estimadas em aproximadamente 2.500-20.000 trilhões. cubo m. Esta é a reserva energética da humanidade há mais de mil anos. A extração comercial de hidratos elevaria o setor energético mundial a um nível qualitativamente novo. Em outras palavras, o estudo dos hidratos gasosos abriu uma fonte alternativa de energia para a humanidade. Mas também existem vários obstáculos sérios ao seu estudo e produção comercial.

Antecedentes históricos

A possibilidade da existência de hidratos gasosos foi prevista por I.N. Strizhov, mas ele falou sobre a inadequação de sua extração. Villar obteve pela primeira vez hidrato de metano em laboratório em 1888, junto com hidratos de outros hidrocarbonetos leves. Os encontros iniciais com hidratos de gás foram vistos como problemas e obstáculos à produção de energia. Na primeira metade do século XX, foi estabelecido que os hidratos de gás provocam entupimentos em gasodutos localizados nas regiões árticas (a temperaturas superiores a 0 °C). Em 1961 a descoberta de Vasiliev V.G., Makagon Yu.F., Trebin F.A., Trofimuk A.A., Chersky N.V. “A propriedade dos gases naturais de estarem em estado sólido na crosta terrestre”, que anunciou uma nova fonte natural de hidrocarbonetos - o hidrato de gás. Depois disso, começaram a falar mais alto sobre o esgotamento dos recursos tradicionais, e já 10 anos depois o primeiro depósito de hidrato de gás foi descoberto em janeiro de 1970 no Ártico, na fronteira da Sibéria Ocidental, chamado Messoyakha. Além disso, foram realizadas grandes expedições de cientistas da URSS e de muitos outros países.

Palavra de química e física

Hidratos gasosos são moléculas de gás presas em torno de moléculas de água, como “gás em uma gaiola”. Isso é chamado de estrutura aquosa de clatrato. Imagine que no verão você pegou uma borboleta na palma da mão, a borboleta é um gás, as palmas das mãos são moléculas de água. Porque você protege a borboleta das influências externas, mas ela manterá sua beleza e individualidade. É assim que o gás se comporta na estrutura do clatrato.

Dependendo das condições de formação e do estado do formador de hidrato, os hidratos aparecem externamente como cristais transparentes claramente definidos de vários formatos ou como uma massa amorfa de “neve” densamente comprimida.

Os hidratos ocorrem sob certas condições termobáricas - equilíbrio de fases. No pressão atmosférica Os hidratos gasosos de gases naturais existem até 20-25 °C. Devido à sua estrutura, um volume unitário de hidrato de gás pode conter até 160-180 volumes de gás puro. A densidade do hidrato de metano é de cerca de 900 kg/m³, que é inferior à densidade da água e do gelo. Quando o equilíbrio de fases é perturbado: aumento da temperatura e/ou diminuição da pressão, o hidrato se decompõe em gás e água com a absorção de uma grande quantidade de calor. Os hidratos cristalinos têm um alto resistência elétrica, conduzem bem o som, são praticamente impenetráveis ​​às moléculas livres de água e gás e têm baixa condutividade térmica.

Desenvolvimento

Os hidratos gasosos são de difícil acesso porque... Até o momento, foi estabelecido que cerca de 98% dos depósitos de hidratos de gás estão concentrados na plataforma e na encosta continental do oceano, em profundidades de água superiores a 200 - 700 m, e apenas 2% - nas partes subpolares dos continentes. . Portanto, problemas no desenvolvimento da produção comercial de hidratos gasosos ocorrem já na fase de desenvolvimento de seus depósitos.

Hoje, existem vários métodos para detecção de depósitos de hidratos de gás: sondagem sísmica, método gravimétrico, medição de calor e fluxos difusos sobre o depósito, estudo da dinâmica do campo eletromagnético na região em estudo, etc.

A sondagem sísmica utiliza dados sísmicos bidimensionais (2-D). Na presença de gás livre sob uma formação saturada de hidrato, é determinada a posição inferior das rochas saturadas de hidrato; Mas a exploração sísmica não consegue detectar a qualidade do depósito ou o grau de saturação de hidrato das rochas. Além disso, a exploração sísmica não é aplicável em terrenos complexos, mas é mais benéfica do ponto de vista económico, no entanto, é melhor utilizá-la em conjunto com outros métodos.

Por exemplo, as lacunas podem ser preenchidas utilizando a exploração eletromagnética além da exploração sísmica. Permitirá caracterizar a rocha com maior precisão, graças às resistências individuais nos pontos onde ocorrem os hidratos gasosos. O Departamento de Energia dos EUA planeja conduzi-lo a partir de 2015. O método sismoeletromagnético foi usado para desenvolver os campos do Mar Negro.

Também é rentável desenvolver depósitos saturados usando um método de desenvolvimento combinado, quando o processo de decomposição do hidrato é acompanhado por uma diminuição da pressão com efeitos térmicos simultâneos. Diminuir a pressão economizará energia térmica, gasto na dissociação de hidratos e no aquecimento do meio poroso impedirá a reforma de hidratos gasosos na zona próxima ao poço da formação.

Produção

O próximo obstáculo é a própria extração de hidratos. Os hidratos ocorrem na forma sólida, o que causa dificuldades. Como o hidrato gasoso ocorre sob certas condições termobáricas, se uma delas for violada, ele se decomporá em gás e água, foram desenvolvidas as seguintes tecnologias de extração de hidrato;

1. Despressurização:

Quando o hidrato sai do equilíbrio de fase, ele se decompõe em gás e água. Essa tecnologia é famosa por sua trivialidade e viabilidade econômica, além disso, o sucesso da primeira produção japonesa em 2013 está sobre seus ombros. Mas nem tudo é tão róseo: a água resultante baixas temperaturas pode obstruir o equipamento. Além disso, a tecnologia é realmente eficaz, porque... Durante um teste de produção de metano no campo de Mallick, foram produzidos 13 mil metros cúbicos em 5,5 dias. m de gás, muitas vezes superior à produção no mesmo campo com tecnologia de aquecimento - 470 metros cúbicos. m de gás em 5 dias. (ver tabela)

2. Aquecimento:

Novamente, você precisa decompor o hidrato em gás e água, mas desta vez usando calor. O fornecimento de calor pode ser realizado de diferentes maneiras: injeção de refrigerante, circulação água quente, aquecimento a vapor, aquecimento eléctrico. Gostaria de me deter na interessante tecnologia inventada por pesquisadores da Universidade de Dortmund. O projeto envolve a instalação de um gasoduto para depósitos de hidratos de gás no fundo do mar. Sua peculiaridade é que o tubo possui paredes duplas. Por tubo interno a água do mar é fornecida ao campo, aquecida a 30-40˚C, a temperatura de transição de fase, e bolhas de gás metano sobem ao longo da água tubo externo acima. Lá, o metano é separado da água, enviado para tanques ou para a tubulação principal, e água morna retorna para depósitos de hidratos de gás. No entanto, este método de extração exige custos elevados e um aumento constante na quantidade de calor fornecida. Neste caso, o hidrato gasoso se decompõe mais lentamente.

3. Introdução de inibidor:

Também uso a injeção de um inibidor para decompor o hidrato. No Instituto de Física e Tecnologia da Universidade de Bergen, o dióxido de carbono foi considerado um inibidor. Usando esta tecnologia, é possível obter metano sem extrair diretamente os próprios hidratos. Este método já está sendo testado pela Japan National Oil, Gas and Metals Corporation (JOGMEC) com o apoio do Departamento de Energia dos EUA. Mas esta tecnologia está repleta de riscos ambientais e exige custos elevados. A reação prossegue mais lentamente.

Nome do projeto	Data	Países participantes	Empresas	Tecnologia
Mallik, Canadá		Japão, canal dos EUA, Alemanha, Índia	JOGMEC, BP, Chevron Texaco	Aquecedor (refrigerante - água)
Encosta Norte do Alasca, EUA		EUA, Japão	Conoco Phillips, JOGMEC	Injeção de dióxido de carbono, injeção de inibidor
Alasca, EUA			BP, Schlumberger	Perfuração para estudar as propriedades do hidrato de gás
Mallik, Canadá		Japão, Canadá	JOGMEC como parte de um consórcio público privado	Despressurização
Fogo no Gelo (IgnikSikumi), Alasca, EUA		EUA, Japão, Noruega	Conoco Phillips, JOGMEC, Universidade de Bergen (Noruega)	Injeção de dióxido de carbono
Projeto conjunto (ArticulaçãoIndústriaProjeto) Golfo do México, EUA			Chevron como líder do consórcio	Perfuração para estudar a geologia dos hidratos gasosos
Perto da Península de Atsumi, Japão			JOGMEC, JAPEX, Japão Perfuração	Despressurização

Fonte - centro analítico baseado em materiais de código aberto

Tecnologias

Outra razão para a produção comercial pouco desenvolvida de hidratos é a falta de tecnologia para sua extração lucrativa, o que provoca grandes investimentos de capital. Dependendo da tecnologia, existem diferentes barreiras: operação equipamento especial para introdução elementos químicos e/ou aquecimento local para evitar reforma de hidratos gasosos e entupimento de poços; aplicação de tecnologias que impeçam a mineração de areia.

Por exemplo, em 2008, estimativas preliminares para o campo de Mallick, no Ártico canadiano, indicaram que os custos de desenvolvimento variaram entre 195 e 230 dólares/mil. cubo m para hidratos de gás localizados acima do gás livre e na faixa de 250-365 dólares/mil. cubo m para hidratos gasosos localizados acima da água livre.

Para resolver este problema, é necessário popularizar a produção comercial de hidratos entre o pessoal científico. Organizar mais conferências científicas, competições para melhorar equipamentos antigos ou criar novos equipamentos, o que poderia proporcionar custos mais baixos.

Perigo ambiental

Além disso, o desenvolvimento de campos de hidratos de gás conduzirá inevitavelmente a um aumento do volume de gás natural libertado na atmosfera e, consequentemente, a um aumento do efeito estufa. O metano é um poderoso gás com efeito de estufa e, apesar de o seu tempo de vida na atmosfera ser inferior ao do CO₂, o aquecimento causado pela libertação de grandes quantidades de metano na atmosfera será dezenas de vezes mais rápido do que o aquecimento causado pelo dióxido de carbono. Além disso, se o aquecimento global, o efeito estufa ou por outras razões causarem o colapso de pelo menos um depósito de hidrato de gás, isso causará uma liberação colossal de metano na atmosfera. E, como uma avalanche, de uma ocorrência para outra, isso levará a mudanças climáticas globais na Terra, e as consequências dessas mudanças não podem ser previstas nem mesmo de forma aproximada.

Para evitar isso, é necessário integrar dados de análises exploratórias complexas e prever o possível comportamento dos depósitos.

Detonação

Outro problema não resolvido para os mineradores é a propriedade muito desagradável dos hidratos de gás de “detonar” aos menores choques. Nesse caso, os cristais passam rapidamente por uma fase de transformação para o estado gasoso, e adquirem um volume várias dezenas de vezes maior que o original. Portanto, relatórios de geólogos japoneses falam com muito cuidado sobre a perspectiva de desenvolvimento de hidratos de metano - afinal, o desastre da plataforma de perfuração Deepwater Horizon, segundo vários cientistas, incluindo o professor da UC Berkeley, Robert Bee, foi o resultado da explosão de uma bolha gigante de metano que se formou a partir de depósitos de hidratos de fundo perturbados por perfuradores.

Produção de petróleo e gás

Os hidratos de gás não são considerados apenas do ponto de vista dos recursos energéticos; são encontrados com mais frequência durante a produção de petróleo. Mais uma vez nos voltamos para a morte da plataforma Deepwater Horizon no Golfo do México. Então, para controlar o vazamento de óleo, foi construída uma caixa especial, que planejaram colocar acima da cabeça do poço de emergência. Mas o óleo revelou-se muito carbonatado e o metano começou a formar depósitos inteiros de gelo de hidratos gasosos nas paredes da caixa. Eles são cerca de 10% mais leves que a água e, quando a quantidade de hidratos gasosos tornou-se grande o suficiente, eles simplesmente começaram a levantar a caixa, o que, em geral, era previsto antecipadamente pelos especialistas.

O mesmo problema foi encontrado na produção de gás tradicional. Além dos hidratos gasosos “naturais”, a formação de hidratos gasosos é grande problema nos principais gasodutos localizados em climas temperados e frios, uma vez que os hidratos de gás podem entupir o gasoduto e reduzir seu rendimento. Para evitar que isso aconteça, uma pequena quantidade de um inibidor é adicionada ao gás natural ou simplesmente utiliza-se aquecimento.

Estes problemas são resolvidos da mesma forma que durante a produção: diminuindo a pressão, aquecendo, introduzindo um inibidor.

Conclusão

Este artigo examinou as barreiras à produção comercial de hidratos gasosos. Ocorrem já na fase de desenvolvimento dos campos de gás, diretamente durante a própria produção. Além disso, os hidratos gasosos são atualmente um problema na produção de petróleo e gás. Hoje, as impressionantes reservas de hidratos de gás e a rentabilidade económica exigem acumulação de informações e esclarecimentos. Especialistas ainda estão pesquisando soluções ideais desenvolvimento de depósitos de hidratos de gás. Mas com o desenvolvimento da tecnologia, o custo do desenvolvimento de depósitos deverá diminuir.

Bibliografia:

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4. Trofimuk A. A., Makogon Yu., Tolkachev M. V., Chersky N. V. Características de detecção de exploração e desenvolvimento de depósitos de hidrato de gás - 2013 [recurso eletrônico] http://vimpelneft.com/fotogalereya/ 6-komanda-vymlnefti/detail /32-komanda-vympelnefti
5. Química e Vida, 2006, nº 6, p.
6. O dia em que a Terra quase morreu – 5. 12. 2002 [recurso eletrônico] http://www.bbc.co.uk/science/horizon/2002/dayearthdied.shtml

Comentários:

01/12/2015, 12h12 Mordashev Vladimir Mikhailovich
Análise: O artigo é dedicado a uma ampla gama de problemas relacionados à tarefa urgente de desenvolver hidratos de gás - um recurso energético promissor. A resolução destes problemas exigirá, entre outras coisas, a análise e síntese de dados heterogéneos provenientes da investigação científica e tecnológica, muitas vezes de natureza desordenada e caótica. Portanto, o revisor recomenda que os autores em seus trabalho adicional preste atenção no artigo “Empiricism for Chaos”, site, nº 24, 2015, p. 124-128. O artigo “Problemas de Desenvolvimento de Hidratos de Gás” é de indiscutível interesse para uma ampla gama de especialistas e deve ser publicado.

18/12/2015 2:02 Resposta à crítica da autora Polina Robertovna Kurikova:
Li o artigo e usarei essas recomendações para desenvolver ainda mais o tópico e resolver os problemas abordados. Obrigado.