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

14. Hidratos gases naturais

1. TEOR DE UMIDADE DE GASES NATURAIS

O gás sob condições de pressão e temperatura de formação é saturado com vapor d'água, uma vez que as rochas portadoras de gás sempre contêm água associada, de fundo ou marginal. À medida que o gás flui através do poço, a pressão e a temperatura diminuem. Com a diminuição da temperatura, a quantidade de vapor de água na fase gasosa também diminui e, com a diminuição da pressão, pelo contrário, o teor de umidade no gás aumenta. O teor de umidade do gás natural no reservatório também aumenta com uma queda na pressão do reservatório à medida que o campo é desenvolvido.

Usualmente 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 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 de água por unidade de volume de gás, reduzida às condições normais (0 ° C e 0,1 MPa). Umidade absoluta C medido em g/m 3 ou kg por 1000 m 3.

Humidade relativa- é expresso em porcentagens (ou frações de uma unidade) a razão entre a quantidade de vapor d'água contida em uma unidade de volume de uma mistura gasosa 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, de acordo com equações analíticas ou de acordo com nomogramas compilados a partir de dados experimentais ou por cálculo.

Na fig. 1 mostra um desses nomogramas, construído como resultado da generalização de dados experimentais sobre a determinação do teor de umidade de gases em uma ampla faixa de pressões e temperaturas do teor de vapor d'água de equilíbrio em kg por 1000 m 3 de gás natural com densidade relativa de 0,6, sem nitrogênio e em contato com água fresca. A linha de formação de hidratos limita a área de equilíbrio do vapor de água sobre o hidrato. Abaixo da linha de formação de hidratos, os valores de umidade são dados para as condições de equilíbrio metaestável de vapor d'água sobre água super-resfriada.

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

De acordo com dados experimentais sobre o efeito da composição do gás em 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 a uma 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 de um gás) aumenta, o teor de umidade do gás diminui. Deve-se notar que os gases diferentes formulações podem ter a mesma densidade. Se ocorrer um aumento em sua densidade devido a um aumento na quantidade de hidrocarbonetos pesados, uma diminuição no teor de umidade é explicada pela interação das moléculas desses hidrocarbonetos com as moléculas de água, o que é especialmente perceptível quando pressões elevadas.

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 de água diminui. Quando a salinidade da água de formação é inferior a 2,5% (25 g/l), o teor de umidade do gás diminui em 5%, o que torna possível não usar fatores de correção, uma vez que o erro está dentro dos limites de determinação do teor de umidade de acordo com o nomograma (ver Fig. 1).

2. COMPOSIÇÃO E ESTRUTURA DOS HIDRATOS

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

Durante o desenvolvimento da maioria dos campos de gás e condensado de gás, surge o problema de combater a formação de hidratos. Significado especial esta emissão adquire durante o desenvolvimento de depósitos na Sibéria Ocidental e no Extremo Norte. As baixas temperaturas dos reservatórios e as condições climáticas adversas dessas áreas criam condições favoráveis ​​para a formação de hidratos não apenas em poços e gasodutos, mas também em reservatórios, resultando na formação de depósitos de hidratos de gás.

Hidratos de gases naturais são um composto físico-químico instável de água com hidrocarbonetos, que se decompõe em gás e água com o aumento da temperatura ou diminuição da pressão. Por aparência- Esta é uma massa cristalina branca, semelhante ao gelo ou neve.

Hidratos referem-se a substâncias nas quais as moléculas de um componente estão localizadas em cavidades da rede entre os sítios das moléculas associadas de outro componente. Esses compostos são geralmente chamados de soluções sólidas intersticiais e, às vezes, compostos de inclusão.

Moléculas de formadores de hidrato nas cavidades entre os nós das moléculas de água associadas da rede de hidrato são mantidas por forças de atração de van der Waals. Os hidratos são formados na forma de duas estruturas, cujas cavidades são parcial ou completamente preenchidas 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 cavidades grandes com diâmetro interno de 6,9 10 -10 m e dezesseis pequenas cavidades Com diâmetro interno 4,8 10 -10 m.

Arroz. Fig. 2. Estrutura de formação do hidrato: a – tipo I; tipo b II

Quando oito cavidades da rede de hidratos são preenchidas, a composição de hidratos de estrutura I é expressa pela fórmula 8M-46N 2 O ou M-5.75N 2 O, onde M é hidrato anterior. Se apenas cavidades grandes forem preenchidas, a fórmula será semelhante a 6M-46H 2 O ou M-7,67 H 2 O. Quando oito cavidades da rede de hidratos são preenchidas, a composição dos hidratos de estrutura II é expressa pela fórmula 8M136 H 2 O ou M17H2O.

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

Condições para a formação de hidratos

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

Arroz. 3. Diagrama do estado de fase de hidratos de várias densidades relativas

No ponto A PARTIR DE existem quatro fases simultaneamente (/, //, ///, 4): um formador de hidrato gasoso, uma solução líquida de um formador de hidrato em água, uma solução de água em um formador de hidrato e um hidrato. No ponto de intersecção das curvas 1 e 2 sistema invariante correspondente, é impossível alterar a temperatura, pressão ou composição do sistema sem o desaparecimento de uma das fases. Em todas as temperaturas acima do valor correspondente no ponto A PARTIR DE o hidrato não pode existir, por maior que seja a pressão. Portanto, o ponto C é considerado um ponto crítico para a formação de hidratos. No ponto de intersecção das curvas 2 e 3 (ponto NO) 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.

A partir deste diagrama, segue que Sistema M-N 2 O, a formação de hidratos é possível pelos seguintes processos:

Mg + m(H 2 O) w ↔M m(H2O) tv;

Mg + m(H 2 O) TV ↔M m(H2O) tv;

M f + m(H 2 O) w ↔M m(H2O) tv;

M tv + m(H 2 O) TV ↔M m(H2O) tv;

Aqui M g, M f, M tv é o símbolo do formador de hidrato, respectivamente, gasoso, líquido e sólido; (H 2 O) w, (H 2 O) TV - moléculas de água líquida e sólida (gelo), respectivamente; t- o número de moléculas de água no hidrato.

Para educação hidratos, é necessário que a pressão parcial do vapor d'água sobre o hidrato seja maior que a elasticidade desses vapores na composição do 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 para a formação de hidratos são determinadas por gráficos de equilíbrio (Fig. 4) ou por cálculo - por constantes de equilíbrio e pelo método gráfico-analítico de acordo com a 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 que quanto maior a densidade do gás, maior a temperatura de formação do hidrato. No entanto, 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 altas, Como as gás natural com densidade aumentada. Se os componentes não formadores de hidratos influenciam o aumento da densidade do gás natural, então a temperatura de sua formação de hidratos diminui. Se diferentes componentes formadores de hidrato estiverem envolvidos, então a temperatura de formação de hidrato será maior para a composição gasosa na qual predominam componentes com maior estabilidade.

As condições para a formação de hidratos de gás natural de acordo com as constantes de equilíbrio são determinadas pela fórmula: z= s/K, Onde z, s- a fração molar do componente, respectivamente, na composição do hidrato e da fase gasosa; PARA - constante de equilíbrio.

Os parâmetros de equilíbrio da formação de hidrato de acordo com as constantes de equilíbrio à temperatura e pressão dadas são calculados como se segue. Primeiro, as constantes são encontradas para cada componente e, em seguida, as frações molares do componente são divididas pela constante encontrada de seu equilíbrio e os valores resultantes são adicionados. Se a soma for igual a um, o sistema está em equilíbrio termodinamicamente, se for maior que um, há condições para a formação de hidratos, se a soma for menor que um, 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 do hidrato de metano a uma pressão de 33,0-76,0 MPa, obtiveram hidratos de metano a uma temperatura de 28,8 °C. Em um dos trabalhos, notou-se que a temperatura de formação dos hidratos deste componente a uma pressão de 390 MPa sobe para 47°C.

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

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

Frequentemente no poço há condições para a formação de hidratos, quando a temperatura do gás ao se mover para cima do fundo para a cabeça do poço fica abaixo da temperatura de formação do hidrato. Como resultado, o poço está entupido com hidratos.

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

A formação de hidratos no poço pode ser evitada pelo isolamento térmico das colunas de fluxo ou de revestimento, elevando a temperatura do gás no poço usando aquecedores. A maneira mais comum de prevenir a formação de hidratos é fornecer inibidores (metanol, glicóis) ao fluxo de gás. Às vezes, o inibidor é fornecido através do anel. A escolha do reagente depende de muitos fatores.

O local onde os hidratos começam a se formar nos poços é determinado pelo ponto de interseção da curva de equilíbrio de formação de hidratos com a curva de mudança de 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 de trabalho na cabeça do poço e uma diminuição na vazão de gás. Se os hidratos não cobrirem completamente a seção do poço, sua decomposição é mais facilmente alcançada com a ajuda de inibidores. É muito mais difícil lidar com depósitos de hidratos que se sobrepõem completamente à seção transversal dos tubos da fonte e formam um tampão de hidrato contínuo. Com um comprimento de plug pequeno, geralmente é eliminado soprando o poço. Com um comprimento significativo, a ejeção da cortiça para a atmosfera é precedida por um certo período durante o qual se decompõe parcialmente em consequência da diminuição da pressão. A duração do período de decomposição dos hidratos depende do comprimento do plugue, da temperatura do gás e do ambiente. pedras. As partículas sólidas (areia, lamas, incrustações, partículas de solução de argila, etc.) retardam a decomposição da cortiça. Os inibidores são usados ​​para acelerar esse processo.

Também deve ser levado em consideração que quando um tampão de hidrato é formado na zona de temperaturas negativas, o efeito é obtido apenas quando a pressão é reduzida. O fato é que a água liberada durante a decomposição de hidratos em baixa concentração de inibidor pode congelar e formar um tampão de gelo em vez de hidrato, o que é difícil de eliminar.

Se a cortiça grande comprimento formado no poço, pode ser eliminado aplicando circulação fechada do inibidor sobre o tampão. Como resultado, as impurezas mecânicas são lavadas e um inibidor de alta concentração está constantemente presente na superfície do tampão de hidrato.

4. FORMAÇÃO DE HIDRATOS EM GASODUTOS

Para combater os depósitos de hidratos em campo e principais gasodutos aplicar os mesmos métodos que em poços. Além disso, a formação de hidratos pode ser evitada pela introdução de inibidores e isolamento térmico das plumas.

De acordo com os dados de cálculo, o isolamento térmico da tubulação com espuma de poliuretano de 0,5 cm de espessura com vazão média do poço de 3 milhões de m 3 /dia proporciona um modo de operação livre de hidratos com 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 igual a 1 a 1,5 cm.

Para combater a formação de hidratos no estudo de poços, é utilizado um método que evita que eles grudem nas paredes das tubulações. Para isso, substâncias tensoativas (surfactantes), condensados ​​ou derivados de petróleo são introduzidos na corrente de gás. Neste caso, forma-se uma película hidrofóbica nas paredes das tubulações e os hidratos soltos são facilmente transportados pelo fluxo de gás. Surfactantes, cobrindo a superfície de líquidos e sólidos camadas mais finas, contribui para uma mudança acentuada nas condições de interação dos hidratos com a parede do tubo.

Hidratos de soluções aquosas de surfactantes não aderem às paredes. Os melhores tensoativos hidrossolúveis - OP-7, OP-10, OP-20 e INCP-9 - só podem ser usados ​​na região de temperaturas positivas. Dos surfactantes solúveis em óleo, OP-4 é o melhor, um bom emulsificante.

Adição de 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 do tubo. Uma mistura de 15–20% (em volume) de óleo solar e 80–85% de condensado estável evita depósitos de hidratos na superfície do tubo. O consumo de tal mistura é de 5 a 6 litros por 1000 m 3 de gás.

Regime de temperatura gasodutos

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

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

Onde , – a temperatura do gás no gasoduto e o ambiente, respectivamente; – temperatura inicial do gás; – distância do início do gasoduto até o ponto considerado; – coeficiente Joule–Thomson; , – pressão, respectivamente, no início e no final do gasoduto; – o comprimento do gasoduto; – aceleração da gravidade; – a diferença de alturas dos pontos final e inicial do gasoduto; – capacidade calorífica do gás a pressão constante; – coeficiente de transferência de calor para o ambiente; – diâmetro da tubulação; é a densidade do gás; é o fluxo volumétrico de gás.

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

(2)

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

A equalização das temperaturas do gasoduto e do solo depende de muitos fatores. A distância em que a diferença de temperatura entre o gás na tubulação e o solo se torna imperceptível pode ser determinada se na equação (2) tomarmos e .

(3)

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

5. PREVENÇÃO E CONTROLE DA FORMAÇÃO DE HIDRATOS DE GÁS NATURAL

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

Introdução de inibidores usados ​​na eliminação de plugues 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 bicos especiais, conexões para manômetros ou através de uma vela de purga. Se tampões de hidrato contínuos de pequeno comprimento se formaram na tubulação, às vezes eles podem ser eliminados da mesma maneira. Com um comprimento de plugue de centenas de metros, várias janelas são cortadas no tubo acima do plugue de hidrato e metanol é derramado através delas. Em seguida, o tubo é soldado novamente.

Arroz. 10. Dependência do ponto de congelamento da água da concentração da solução. Inibidores: 1-glicerina; 2-TEG; 3-DEG; 4-EG; 5–C 2 H 5 OH; 7–NaCl; 8–CaCI2; 9-MgCl 2.

Para decomposição rápida do tampão de hidrato, é usado um método combinado; Simultaneamente com a introdução do inibidor na zona de formação do hidrato, a pressão é reduzida.

Eliminação de plugues de hidrato por redução de pressão. A essência deste método está na violação do estado de equilíbrio dos hidratos, resultando em sua decomposição. A pressão é reduzida de três maneiras:

- desligue a seção do gasoduto onde o plugue se formou e o gás passa pelas velas de ambos os lados;

- bloquear a válvula de linha de um lado e liberar na atmosfera o gás contido entre o plugue e uma das válvulas fechadas;

- desligar a seção do gasoduto em ambos os lados do bujão e liberar na atmosfera o gás contido entre o bujão e uma das válvulas de fechamento.

Após a decomposição dos hidratos, o seguinte é levado em consideração: a possibilidade de acúmulo de hidrocarbonetos líquidos na área soprada e a formação de plugues de hidrato-gelo repetidos devido a uma diminuição acentuada da temperatura.

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

A decomposição de hidratos por redução de pressão em combinação com a introdução de inibidores é muito mais rápida do que usar cada método separadamente.

Eliminação de plugues de hidrato em tubulações de gases liquefeitos método de aquecimento. Com este método, um aumento da temperatura acima da temperatura de equilíbrio para a formação de hidratos leva à sua decomposição. Na prática, o gasoduto é aquecido água quente ou balsa. Estudos mostraram que um aumento da temperatura no ponto de contato do hidrato e do metal para 30-40°C é suficiente para a rápida decomposição dos hidratos.

Inibidores de Hidratação

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

O metanol tem um alto grau diminuindo a temperatura de formação de hidrato, a capacidade de decompor rapidamente os plugues de hidrato já formados e misturar com água em qualquer proporção, baixa viscosidade e baixo ponto de congelamento.

O metanol é um veneno forte, a ingestão de uma pequena dose pode levar à morte, portanto, é necessário um cuidado especial ao trabalhar com ele.

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

A quantidade de metanol necessária para evitar a formação de hidratos em gases liquefeitos, é possível determinar sobre o gráfico 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 seu conteúdo na fase líquida.

LUTA CONTRA FORMAÇÕES DE HIDRATOS NOS PRINCIPAIS GASODUTOS

(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 de água a uma determinada pressão e temperatura. Os hidratos cristalinos são compostos instáveis ​​de hidrocarbonetos com água. Na aparência, eles parecem neve comprimida. Os hidratos extraídos do gasoduto se decompõem rapidamente em gás e água no ar.

A formação de hidratos é facilitada pela presença no gasoduto de água que umedece o gás, corpos 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 no gás natural de outros gases de hidrocarbonetos além do metano (C 3 H 8 , C 4 H 10 , H 2 S).

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

Em caso de secagem insuficiente ou na ausência dela, são utilizados inibidores para evitar a formação e destruição dos hidratos formados, absorvendo parte do vapor de água do gás e tornando-o incapaz de formar hidratos a uma determinada pressão. álcool metílico (metanol–CH 3 OH ), soluções de etilenoglicol, dietilenoglicol, trietilenoglicol, cloreto de cálcio.Desses inibidores, o metanol é frequentemente usado em gasodutos principais.

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

O aumento das quedas de pressão no gasoduto é detectado pelas leituras dos manômetros instalados nas válvulas ao longo do trajeto do gasoduto. De acordo com as leituras dos manômetros, são construídos gráficos da queda de pressão. Se você medir a pressão em uma seção de comprimento / ao mesmo tempo e plotar 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 linha reta no gráfico mostra uma área com queda de pressão anormal, onde ocorre o processo de formação de hidratos.

Quando é detectada uma queda anormal de pressão no gasoduto, geralmente é colocada em operação uma usina de metanol ou, na ausência desta, é realizado um vazamento único de metanol através de uma vela, para o qual uma torneira é soldada ao extremidade superior da vela. Com a torneira inferior fechada, o metanol é derramado na vela através da torneira superior. Então a torneira de cima fecha e a de baixo abre. Depois que o metanol flui para o gasoduto, a válvula inferior se fecha. Para encher a quantidade necessária de metanol, esta operação é repetida várias vezes.

O fornecimento de metanol através do tanque de metanol e o enchimento simultâneo de metanol podem não dar o efeito desejado ou, a julgar pela magnitude e rápido aumento da queda de pressão, há uma ameaça de bloqueio. Desta forma, uma grande quantidade de metanol é derramada simultaneamente e uma purga de gás é realizada ao longo do fluxo de gás. A quantidade de metanol despejada em uma seção de gasoduto com um comprimento de 20 a 25 km e um 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 no início e final da seção são fechados, o gás é descarregado na atmosfera através de uma vela na frente da torneira no final da seção.

Em uma situação mais difícil, após o vazamento de metanol, a seção do gasoduto é desligada fechando as torneiras em ambas as extremidades, o gás é liberado através de velas em ambas as extremidades, reduzindo a pressão quase atmosférica (não inferior ao excesso de 200-500 Pa). Após algum tempo, durante o qual o plugue de hidrato deve colapsar na ausência de pressão e sob a ação do metanol, abra a válvula no início da seção e sopre a vela no final da seção para retirar o plugue de seu lugar . A eliminação de um plugue de hidrato por sopro não é segura, pois se ele for destruído repentinamente no gasoduto, podem ocorrer altas vazões de gás, arrastando os restos do plug destruído. É necessário monitorar cuidadosamente a pressão na área antes e depois do plugue para evitar uma queda muito grande. Com uma grande diferença, indicando a sobreposição de uma parte significativa da seção do tubo, o local de formação do plugue pode ser facilmente determinado pelo ruído característico que ocorre durante o estrangulamento do gás, que é ouvido da superfície da terra. Com um bloqueio completo do gasoduto, não há ruído.

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

No entanto, a “revolução do xisto”, que agora está ocorrendo literalmente diante de nossos olhos, removeu esse tópico pelo menos para segundo plano. Ficou claro para todos o que apenas alguns especialistas haviam dito antes: ainda há hidrocarbonetos suficientes no planeta. É obviamente muito cedo para falar sobre sua exaustão física.

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 sua ajuda. Você pode obter quase tudo, só vai ser mais caro.

Tudo isso faz com que a humanidade busque novas "fontes não tradicionais de combustível tradicional". Um deles é o gás de xisto mencionado acima. A GAZ Technology já escreveu mais de uma vez sobre vários aspectos relacionados à sua produção.

No entanto, existem outras fontes desse tipo. Entre eles estão os "heróis" do nosso material de hoje - hidratos de gás.

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

Nota: uma variedade de substancias químicas. Não precisa ser sobre hidrocarbonetos. Os primeiros hidratos de gás que os cientistas observaram consistiam em cloro e dióxido de enxofre. Aliás, isso aconteceu no final do século XVIII.

No entanto, uma vez que estamos interessados aspectos práticos relacionados à extração de gás natural, falaremos aqui, antes de tudo, de hidrocarbonetos. Além disso, em condições reais, são os hidratos de metano que predominam entre todos os hidratos.

De acordo com estimativas teóricas, as reservas de tais cristais são literalmente incríveis. De acordo com as estimativas mais conservadoras, estamos falando de 180 trilhões de metros cúbicos. Estimativas mais otimistas dão um número 40.000 vezes maior. Com esses indicadores, você concordará, é até inconveniente falar sobre a exauribilidade dos hidrocarbonetos na Terra.

Deve-se dizer que a hipótese da presença de enormes depósitos nas condições do permafrost siberiano hidratos de gás foi apresentada por cientistas soviéticos nos formidáveis ​​anos 40 do século passado. Depois de algumas décadas, ela encontrou sua confirmação. E no final dos anos 60, o desenvolvimento de um dos depósitos começou.

Posteriormente, os cientistas calcularam que a zona em que os hidratos de metano podem estar em um estado estável cobre 90% de todo o mar e do fundo do oceano da Terra e mais 20% da terra. Acontece que estamos falando de um mineral potencialmente comum.

A ideia de extrair "gás sólido" realmente parece atraente. Além disso, uma unidade de volume de hidrato contém cerca de 170 volumes do próprio gás. Ou seja, parece que basta obter alguns cristais para obter um grande rendimento de hidrocarbonetos. Do ponto de vista físico, eles estão em estado sólido e representam algo como neve solta ou gelo.

O problema, porém, é que os hidratos gasosos estão localizados, via de regra, em locais de difícil acesso. “Os depósitos intrapermafrost 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 dos hidratos gasosos - aquele intervalo de profundidades (geralmente algumas centenas de metros), onde ocorrem as condições termodinâmicas para a formação dos hidratos. No norte da Sibéria Ocidental, este é um intervalo de profundidade de 250-800 m, nos mares - da superfície inferior a 300-400 m, em áreas especialmente profundas da plataforma e talude continental até 500-600 m abaixo do nível do mar fundo. Foi nesses intervalos que a maior parte dos hidratos de gás natural foi descoberta”, relata a Wikipédia. Assim, estamos falando, via de regra, de trabalhar em condições extremas de mar profundo, em alta pressão.

A extração de hidratos de gás pode estar associada a outras dificuldades. Tais compostos são capazes, por exemplo, de detonar mesmo com leves choques. Eles passam muito rapidamente para um estado gasoso, que em um volume limitado pode causar surtos de pressão repentinos. De acordo com fontes especializadas, são precisamente essas propriedades dos hidratos de gás que se tornaram uma fonte de sérios problemas para as plataformas de produção no Mar Cáspio.

Além disso, o metano é um dos gases que podem criar um efeito estufa. Se a produção industrial causa suas emissões maciças na atmosfera, isso é agravado pelo problema do aquecimento global. Mas mesmo que isso não aconteça na prática, a atenção próxima e hostil dos “verdes” a tais projetos é praticamente garantida. E suas posições no espectro político de muitos estados hoje são muito, muito fortes.

Tudo isso extremamente "pesa" projetos para o desenvolvimento de tecnologias para a extração de hidratos de metano. Na verdade de verdade formas industriais ainda não há desenvolvimento de tais recursos no planeta. No entanto, desenvolvimentos relevantes estão em andamento. Existem até patentes emitidas para os inventores de tais métodos. Sua descrição às vezes é tão futurista que parece tirada de um livro de algum escritor de ficção científica.

Por exemplo, "Método de extração de hidrocarbonetos hidratados de gás do fundo de bacias hidrográficas e um dispositivo para sua implementação (patente RF nº 2431042)", apresentado no site http://www.freepatent.ru/: sea ​​fundo. O resultado técnico é aumentar a produção de hidrocarbonetos hidratados gasosos. O método consiste em destruir a camada inferior com arestas vivas de caçambas fixadas em uma esteira transportadora vertical que se desloca ao longo do fundo da piscina com o auxílio de um motor de lagarta, em relação ao qual a esteira se desloca verticalmente, com possibilidade de aprofundamento no fundo. Neste caso, o hidrato de gás é elevado até a zona isolada da água pela superfície do funil invertido, onde é aquecido, e o gás liberado é transportado para a superfície por meio de uma mangueira fixada no topo do funil, submetendo-o ao aquecimento adicional. Um dispositivo para implementação do método também é proposto. Nota: tudo isso deve ocorrer na água do mar, a uma profundidade de várias centenas de metros. É difícil imaginar a complexidade deste tarefa de engenharia, e quanto o metano produzido dessa maneira pode custar.

Existem, no entanto, outras formas. Aqui está uma descrição de outro método: “Existe um método conhecido para extração de gases (metano, seus homólogos, etc.) poço perfurado até o fundo da camada de hidrato de gás identificada - bombeamento e bombeamento. água natural com temperatura natural ou aquecido entra pela tubulação de injeção e decompõe os hidratos de gás no sistema "gás-água", que se acumula em uma armadilha esférica formada no fundo da formação de hidrato de gás. Os gases emitidos são bombeados para fora desta armadilha através de outra coluna de tubos ... A desvantagem do método conhecido é a necessidade de perfuração submarina, que é tecnicamente onerosa, cara e às vezes introduz danos irreparáveis ​​​​ao ambiente subaquático existente do reservatório ”(http ://www.findpatent.ru).

Outras descrições deste tipo poderiam ser dadas. Mas fica claro pelo que já foi listado: 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 projetos 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 que mais crescem e, portanto, apresentam uma demanda sempre nova por combustível de gás região do mundo. Estamos falando, é claro, do Sudeste Asiático. Um dos estados que trabalham nessa direção é a China. Assim, de acordo com o jornal Diário do Povo, em 2014, geólogos marinhos realizaram estudos em larga escala de um dos locais localizados perto de sua costa. A perfuração mostrou que contém hidratos de gás de alta pureza. No total, foram perfurados 23 poços. Isso possibilitou estabelecer que a área de distribuição de hidratos de gás na área é de 55 quilômetros quadrados. E suas reservas, segundo especialistas chineses, chegam a 100-150 trilhões de metros cúbicos. O número dado, francamente falando, é tão alto que nos faz pensar se não é muito otimista, e se tais recursos podem realmente ser extraídos (as estatísticas chinesas em geral muitas vezes levantam dúvidas entre os especialistas). No entanto, é óbvio que os cientistas chineses estão trabalhando ativamente nessa direção, procurando maneiras de fornecer à sua economia em rápido crescimento os hidrocarbonetos necessários.

A situação no Japão, é claro, é muito diferente da observada na China. No entanto, fornecer combustível para a Terra do Sol Nascente não era uma tarefa trivial, mesmo em tempos mais calmos. Afinal, o Japão é privado de recursos tradicionais. E após a tragédia na usina nuclear de Fukushima em março de 2011, que obrigou as autoridades do país sob pressão opinião pública reduzir os programas de energia nuclear, esse problema chegou quase ao limite.

É por isso que em 2012 uma das empresas japonesas começou a fazer testes de perfuração sob o fundo do oceano a uma distância de apenas algumas dezenas de quilômetros das ilhas. A profundidade dos próprios poços é de várias centenas de metros. Além da profundidade do oceano, que naquele lugar é de cerca de um quilômetro.

Deve-se admitir que, um ano depois, especialistas japoneses conseguiram obter o primeiro gás neste local. No entanto, ainda não é possível falar em sucesso total. A produção industrial nesta área, de acordo com as previsões dos próprios japoneses, não pode começar antes de 2018. E o mais importante, é difícil estimar qual será o custo final do combustível.

No entanto, pode-se afirmar que a humanidade ainda está “se aproximando” lentamente dos depósitos de hidratos gasosos. E é possível que chegue o dia em que extrairá deles metano em escala verdadeiramente industrial.

Não é segredo que atualmente as fontes tradicionais de hidrocarbonetos estão se esgotando cada vez mais ativamente, e esse fato faz a humanidade pensar na energia do futuro. Portanto, os vetores de desenvolvimento de muitos players do mercado internacional de petróleo e gás estão voltados para o desenvolvimento de jazidas de hidrocarbonetos não convencionais.

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

O que são hidratos gasosos?

Os hidratos de gás se parecem muito com a neve ou o gelo solto, que contém a energia do gás natural em seu interior. Do ponto de vista científico, hidrato 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 de gás são formados a certas temperaturas e pressões, o que torna possível que tal "gelo" exista em temperaturas positivas.

A formação de depósitos de hidrato de gás (tampões) dentro de várias instalações de petróleo e gás é a causa de acidentes graves e frequentes. Por exemplo, de acordo com uma versão, a causa do maior acidente no Golfo do México na plataforma Deepwater Horizon foi um plugue de hidrato formado em um dos tubos.

Graças a eles propriedades únicas, ou seja, uma alta concentração específica de metano nos compostos, uma alta prevalência ao longo das costas, os hidratos de gás natural têm sido considerados a principal fonte de hidrocarbonetos na Terra desde meados do século XIX, totalizando aproximadamente 60% do estoque total. Estranho, não é? Afinal, estamos acostumados a ouvir da mídia apenas sobre gás natural e petróleo, mas talvez nos próximos 20-25 anos a luta seja por outro recurso.

Para entender a escala completa dos depósitos de hidratos de gás, digamos que, por exemplo, o volume total de ar na atmosfera da Terra seja 1,8 vezes menor que os volumes estimados de hidratos de gás. 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 de gás natural tradicional hoje (32,6 trilhões de metros cúbicos).

Um problema importante é o componente econômico no desenvolvimento e comercialização de hidratos de gás. É muito caro obtê-los hoje.

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

Como eles são minerados?

É possível minerar clatratos hoje jeitos diferentes. Existem dois grupos principais de métodos - mineração no estado gasoso e no estado sólido.

O mais promissor é a produção no estado gasoso, nomeadamente o método de despressurização. Abre-se o reservatório, onde se localizam os hidratos de gás, a pressão começa a cair, o que desequilibra a "neve gasosa" e começa a se decompor em gás e água. Esta tecnologia já foram utilizados pelos japoneses em seu projeto piloto.

Os projetos russos de pesquisa e desenvolvimento de hidratos de gás começaram nos tempos da URSS e são considerados fundamentais nessa área. Devido à descoberta de um grande número de campos tradicionais de gás natural, economicamente atrativos e acessíveis, todos os projetos foram suspensos e a experiência acumulada foi transferida para pesquisadores estrangeiros, deixando muitos empreendimentos promissores fora de trabalho.

Onde os hidratos de gás são usados?

Um recurso energético pouco conhecido, mas muito promissor, pode ser usado não apenas para fornos e cocção. resultado atividades de inovação pode ser considerada a tecnologia de transporte de gás natural no estado hidratado (HNG). Parece muito complicado e assustador, mas na prática tudo é mais do que claro. Um homem teve a ideia de “embalar” o gás natural produzido não em uma tubulação e não nos tanques de um navio-tanque de GNL (liquefação de gás natural), mas em uma concha de gelo, ou seja, para fazer hidratos de gás para o transporte de gás para um consumidor.

Com volumes comparáveis ​​de fornecimento de gás comercial, essas tecnologias consome 14% menos energia do que as tecnologias de liquefação de gás (quando transportadas em distâncias curtas) e 6% menos quando transportados em distâncias de vários milhares de quilômetros, requerem a menor redução na temperatura de armazenamento (-20 graus C versus -162). Resumindo todos os fatores, podemos concluir que o 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 gás ). água).

Resumindo, podemos dizer que os hidratos de gás são o principal recurso energético do futuro em escala global, e também têm grandes perspectivas para o complexo de petróleo e gás do nosso país. Mas essas são perspectivas muito previdentes, cujo efeito podemos ver em 20 ou até 30 anos, não antes.

Ao não participar do desenvolvimento em larga escala de hidratos de gás, o complexo russo de petróleo e gás pode enfrentar alguns riscos significativos. Infelizmente, os baixos preços atuais dos hidrocarbonetos e a crise econômica estão cada vez mais questionando projetos de pesquisa e o início do desenvolvimento industrial de hidratos de gás, especialmente em nosso país.

Durante anos, os cientistas soviéticos levantaram a hipótese da presença de depósitos de hidratos de gás na zona de permafrost (Strizhov, Mokhnatkin, Chersky). Na década de 1960, eles também descobriram os primeiros depósitos de hidratos de gás no norte da URSS. Ao mesmo tempo, a possibilidade da formação e existência de hidratos em condições naturais encontra confirmação laboratorial (Makogon).

Desde então, hidratos de gás têm sido considerados como uma fonte potencial de combustível. De acordo com várias estimativas, as reservas de hidrocarbonetos terrestres em hidratos variam de 1,8⋅10 5 a 7,6⋅10 9 km³. Acontece sua ampla distribuição nos oceanos e permafrost dos continentes, instabilidade com o aumento da temperatura e diminuição da pressão.

Agora os hidratos de gás natural estão atraindo atenção especial como uma possível fonte de combustíveis fósseis, bem como um participante das mudanças climáticas (veja a Hipótese sobre a arma de hidrato de metano).

YouTube enciclopédico

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

✪ Descoberta de hidratos de gás no Baikal. O.M. Khlystov

✪ Gás hidrata parte 2

Legendas

Propriedades dos hidratos

Os hidratos de gás natural são um mineral metaestável, cuja formação e decomposição dependem da temperatura, pressão, composição química gás e água, propriedades de um meio poroso, etc.

Tipo de estrutura	cavidades	Fórmula da célula unitária	opções de células,	Exemplo de molécula convidada
COP-I cúbico	D, T	6T x 2D x 46H2O	a = 12	CH 4
COP-II	H, D	8H x 16D x 136H2O	a = 17,1	C3H8, THF
Tetragonal TS-I	P, T, D	4P x 16T x 10D x 172H2O	a = 12,3 c = 10,2	(em alta pressão), Br 2
Hexagonal GS-III	E, D, D"	E x 3D x 2D" x 34H2O	a = 23,5 c = 12,3	C 10 H 16 + CH 4

Hidratos gasosos 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 a sedimentos do fundo do mar e áreas de permafrost. Os hidratos de gás natural predominantes são hidratos de metano e dióxido de carbono.

Durante a produção de gás, hidratos podem se formar em poços, comunicações industriais e gasodutos principais. Sendo depositados nas paredes dos tubos, os hidratos os reduzem drasticamente. Taxa de transferência. Para combater a formação de hidratos em campos de gás, vários inibidores são introduzidos em poços e tubulações (álcool metílico, glicóis, solução de CaCl 2 a 30%) e a temperatura do fluxo de gás é mantida acima da temperatura de formação do hidrato por meio de aquecedores, isolamento de tubulações e seleção do modo de operação, proporcionando a temperatura máxima do fluxo de gás. Para evitar a formação de hidratos nos principais gasodutos, a secagem do gás é a mais eficaz - a purificação do gás a partir do vapor de água.

Pesquisa científica

NO últimos anos O interesse no problema dos hidratos de gás em todo o mundo aumentou significativamente. O crescimento da atividade de pesquisa 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 piloto pode começar nos próximos anos;
• a necessidade de avaliar o papel dos hidratos de gás nas camadas próximas à superfície da geosfera, especialmente em relação ao seu possível impacto nas mudanças climáticas globais;
• estudar os padrões de formação e decomposição de hidratos de gás em crosta terrestre em termos teóricos gerais, para fundamentar a busca e exploração de jazidas de hidrocarbonetos tradicionais (ocorrências de hidratos naturais podem servir como marcadores de jazidas convencionais de petróleo e gás mais profundas);
• desenvolvimento ativo de depósitos de hidrocarbonetos localizados em condições naturais difíceis (plataforma de águas profundas, regiões polares), onde o problema dos hidratos de gás tecnogênicos é exacerbado;
• a viabilidade de reduzir os custos operacionais para evitar a formação de hidratos em sistemas de produção de gás de campo por meio da transição para tecnologias de economia de recursos energéticos e ecologicamente corretas;
• a possibilidade de usar tecnologias de hidrato de gás no desenvolvimento, armazenamento e transporte de gás natural.

Nos últimos anos (após uma reunião na OAO Gazprom em 2003), a pesquisa sobre hidratos na Rússia continuou em várias organizações tanto por meio de financiamento do orçamento do Estado (dois projetos de integração do Ramo Siberiano da Academia Russa de Ciências, pequenos subsídios da Fundação Russa para Pesquisa Básica, uma bolsa do Governador de Tyumen, uma bolsa do Ministério do Ensino Superior da Federação Russa) e à custa de bolsas de fundos internacionais - INTAS, SRDF, UNESCO (no âmbito do programa "universidade flutuante" - mar expedições sob os auspícios da UNESCO sob o slogan Training Through Research - treinamento através da pesquisa), KOMEKS (Kurele-Okhotsk-Marine Experiment), CHAPOS (Acumulações de Hidrato de Carbono no Mar de Okhotsk), etc.

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

Atualmente [ quando?] estudos sobre hidratos de gás são realizados na OAO Gazprom (principalmente na OOO Gazprom VNIIGAZ), em institutos Academia Russa Ciências, nas universidades.

Os estudos dos problemas geológicos e tecnológicos dos hidratos gasosos foram iniciados em meados dos anos 60 por especialistas da VNIIGAZ. No início, as questões tecnológicas de prevenção da formação de hidratos foram levantadas e resolvidas, depois o assunto foi gradualmente expandido: os aspectos cinéticos da formação de hidratos foram incluídos na esfera de interesse, depois foi dada atenção considerável aos aspectos geológicos, em particular, as possibilidades de a existência de depósitos de hidratos de gás e problemas teóricos de seu desenvolvimento.

Estudos geológicos de hidratos de gás

A próxima etapa da pesquisa sobre a termodinâmica da formação de hidratos está associada ao desenvolvimento de depósitos gigantes do norte - Urengoyskoye e Yamburgskoye. Para melhorar os métodos de prevenção da formação de hidratos em relação aos sistemas de coleta e processamento de campo de gases contendo condensado, foram 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 decorrer de estudos experimentais (V. A. Istomin, D. Yu. Stupin e outros), foram reveladas sérias dificuldades metodológicas na obtenção de dados representativos em temperaturas abaixo de 20 °C negativos. Nesse sentido, uma nova técnica foi desenvolvida para estudar o equilíbrio de fases de hidratos gasosos de misturas gasosas multicomponentes com o registro de fluxos de calor na câmara de hidratos e, ao mesmo tempo, a possibilidade da existência de formas metaestáveis ​​de hidratos gasosos. na fase 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 a aplicação de tecnologias de hidrato de gás na indústria

As propostas tecnológicas para armazenamento e transporte de gás natural no estado hidratado surgiram na década de 40 do século XX. A propriedade dos hidratos de gás a pressões relativamente baixas de concentrar volumes significativos de gás atrai a atenção de especialistas há muito tempo. Cálculos econômicos preliminares mostraram que o transporte marítimo de gás no estado hidratado é o mais eficiente, e um efeito econômico adicional pode ser obtido com a venda simultânea de gás transportado e gás aos consumidores. água limpa, permanecendo após a decomposição do hidrato (durante a formação de hidratos de gás, a água é purificada das impurezas). Atualmente, os conceitos de transporte marítimo de gás natural no estado hidratado em condições de equilíbrio estão sendo considerados, especialmente quando se planeja o desenvolvimento de campos de gás em águas profundas (incluindo hidratos) distantes do consumidor.

Mineração da Universidade Nacional de Recursos Minerais

Conselheiro Científico: Gulkov Yury Vladimirovich, Candidato de Ciências Técnicas, National Mineral and Raw Materials University of Mining

Anotação:

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

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

Palavras-chave:

hidratos de gás; energia; mineração comercial; Problemas.

hidratos de gás; Engenharia de Energia; extração comercial; Problemas.

UDC 622.324

Introdução

Inicialmente, o homem usava seus próprios poderes 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, o petróleo compartilhava sua primazia. Hoje, a energia do mundo é baseada na tríade gás-petróleo-carvão. No entanto, em 2013, esse equilíbrio foi deslocado para o gás pelas empresas de energia japonesas. Japão- mundo líder na importação de gás. Corporação Estatal petróleo, gás e metais (JOGMEC) (Japan Oil, Gas & Metals National Corp.) conseguiu ser o primeiro no mundo a obter gás do hidrato de metano no fundo oceano Pacífico de uma profundidade de 1,3 km. A produção experimental durou apenas 6 semanas, apesar de o plano considerar uma produção de duas semanas, foram produzidos 120 mil metros cúbicos de gás natural.Esta descoberta permitirá ao país tornar-se independente das importações, mudar radicalmente a sua economia. O que é um hidrato de gás e como isso pode afetar a indústria global de energia?

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

Para isso, foram definidas as seguintes tarefas:

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

Relevância

Os recursos tradicionais não são distribuídos uniformemente pela Terra, além disso, são limitados. De acordo com estimativas modernas, as reservas de petróleo pelos padrões de consumo de hoje durarão 40 anos, recursos energéticos de gás natural - para 60-100. As reservas mundiais de gás de xisto são estimadas em cerca de 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 a energia mundial a um nível qualitativamente novo. Em outras palavras, o estudo dos hidratos gasosos abriu uma fonte alternativa de energia para a humanidade. Mas há também uma série de sérios obstáculos ao seu estudo e produção comercial.

Referência do histórico

A possibilidade da existência de hidratos de gás foi prevista por IN Strizhov, mas ele falou sobre a inconveniência de sua extração. O hidrato de metano foi obtido pela primeira vez em laboratório por Villars em 1888, juntamente com hidratos de outros hidrocarbonetos leves. As colisões iniciais com hidratos de gás foram vistas como problemas e obstáculos à produção de energia. Na primeira metade do século 20, descobriu-se que os hidratos de gás são a causa do entupimento de gasodutos localizados nas regiões do Ártico (em temperaturas acima de 0 ° C). Em 1961 a descoberta de Vasiliev V.G., Makagon Yu.F., Trebin F.A., Trofimuk A.A., Chersky N.V. foi registrada. "A propriedade dos gases naturais de estar no estado sólido da crosta terrestre", que anunciou uma nova fonte natural de hidrocarbonetos - hidrato de gás. Depois disso, começaram a falar mais alto sobre a esgotabilidade 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, é chamado de Messoyakha. Além disso, foram realizadas grandes expedições de cientistas da URSS e de muitos outros países.

Palavra de química e física

Os hidratos de gás são moléculas de gás cercadas por moléculas de água, como um "gás em uma gaiola". Isso é chamado de estrutura de clatrato de água. Imagine que no verão você pegou uma borboleta em suas palmas, uma borboleta é um gás, suas palmas são moléculas de água. Porque você protege a borboleta das influências externas, mas ela manterá sua beleza e individualidade. É assim que um gás se comporta em uma estrutura de clatrato.

Dependendo das condições de formação e do estado do formador de hidrato, os hidratos parecem externamente cristais transparentes claramente definidos de várias formas ou representam uma massa amorfa de “neve” densamente comprimida.

Os hidratos ocorrem sob certas condições termobáricas - equilíbrio de fases. No pressão atmosférica hidratos de gás de gases naturais existem até 20-25 °C. Devido à sua estrutura, um único volume 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 menor que a densidade da água e do gelo. Se o equilíbrio de fases for 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 uma alta resistência elétrica, conduzem bem o som e são praticamente impermeáveis ​​a moléculas de água e gás livres, têm baixa condutividade térmica.

Desenvolvimento

Os hidratos de gás 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 no talude continental do oceano, em profundidades de água de mais de 200-700 m, e apenas 2% - nas partes subpolares do oceano. continentes. Portanto, problemas no desenvolvimento da produção comercial de hidratos de gás são encontrados já na fase de desenvolvimento de seus depósitos.

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

Na sondagem sísmica, dados sísmicos bidimensionais (2-D) são usados ​​na presença de gás livre sob um reservatório saturado de hidrato, a posição inferior das rochas saturadas de hidrato é determinada. Mas durante a exploração sísmica, é impossível detectar a qualidade do depósito, o grau de saturação de hidratos das rochas. Além disso, a exploração sísmica não é aplicável a terrenos complexos, mas é mais vantajosa do ponto de vista econômico, porém, é melhor utilizá-la em conjunto com outros métodos.

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

Também é lucrativo desenvolver um campo de depósitos saturados usando um método de desenvolvimento combinado, quando o processo de decomposição do hidrato é acompanhado por uma diminuição da pressão com exposição térmica simultânea. Reduzir a pressão economizará energia térmica gasto na dissociação de hidratos, e o aquecimento do meio poroso evitará a re-formação de hidratos de gás na zona de formação de fundo de poço.

Mineração

O próximo obstáculo é a extração real de hidratos. Os hidratos encontram-se na forma sólida, o que causa dificuldades. Como o hidrato de gás está em certas condições termobáricas, se uma delas for violada, ele se decomporá em gás e água, de acordo com isso, as seguintes tecnologias de extração de hidrato foram desenvolvidas.

1. Despressurização:

Quando o hidrato está fora 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 mineração japonesa em 2013 recai sobre seus ombros. Mas nem tudo é tão cor-de-rosa: a água resultante durante Baixas temperaturas pode entupir o equipamento. Além disso, a tecnologia é realmente eficaz, porque. 13.000 cu. m de gás, que é muitas vezes superior às taxas de produção no mesmo campo usando 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 por meio de fornecimento de calor. O fornecimento de calor pode ser realizado de diferentes maneiras: injeção de refrigerante, circulação água quente, aquecimento a vapor, aquecimento elétrico. Eu gostaria de me debruçar sobre uma tecnologia interessante inventada por pesquisadores da Universidade de Dortmund. O projeto envolve a colocação de um gasoduto para depósitos de hidrato 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˚С, a temperatura de transição de fase, e bolhas de metano gasoso, juntamente com água, sobem ao longo tubo externo acima. Lá, o metano é separado da água, enviado para tanques ou para a tubulação principal, e água morna retorna para os depósitos de hidrato de gás. No entanto, este método de extração requer custos elevados, um aumento constante da quantidade de calor fornecida. Neste caso, o hidrato de gás se decompõe mais lentamente.

3. Introdução do inibidor:

Também, para a decomposição do hidrato, utilizo a introdução de um inibidor. 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 a extração direta dos 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 requer altos custos. As reações ocorrem mais lentamente.

Nome do Projeto	a data	Países participantes	Empresas	Tecnologia
Mallik, Canadá		Japão, Canal dos EUA, Alemanha, Índia	JOGMEC, BP, Chevron Texaco	Aquecedor (água de refrigeração)
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 geloIgnikSikumi), Alasca, EUA		EUA, Japão, Noruega	Conoco Phillips, JOGMEC, Universidade de Bergen (Noruega)	injeção de dióxido de carbono
Um projeto conjunto (articulaçãoIndústriaprojeto) Golfo do México, EUA			Chevron como líder do consórcio	Perfuração para estudar a geologia de hidratos de gás
Perto da Península Atsumi, Japão			JOGMEC, JAPEX, Japão Perfuração	Despressurização

Fonte - centro analítico baseado em materiais de código aberto

Tecnologia

Outra razão para a falta de desenvolvimento da produção comercial de hidratos é a falta de tecnologia para sua produção rentável, o que provoca grandes investimentos. Dependendo da tecnologia, existem diferentes barreiras: exploração equipamento especial para introdução elementos químicos e/ou aquecimento local para evitar a re-formação de hidratos de gás e entupimento de poços; o uso de tecnologias que impedem a extração de areia.

Por exemplo, em 2008, de acordo com estimativas preliminares para o campo de Mallik no Ártico canadense, foi indicado que os custos de desenvolvimento variaram de US$ 195-230/mil toneladas. cubo m para hidratos de gás localizados acima do gás livre e na faixa de 250-365 dólares / mil. cubo m para hidratos de gás localizados acima da água livre.

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

nocivo ao meio ambiente

Além disso, o desenvolvimento de depósitos de hidratos de gás conduzirá inevitavelmente a um aumento do volume de emissões de gás natural para a atmosfera e, consequentemente, a um aumento do efeito de estufa. O metano é um poderoso gás de efeito estufa e, apesar de seu tempo de vida na atmosfera ser menor que o do CO₂, o aquecimento causado pela liberação de grandes quantidades de metano na atmosfera será dezenas de vezes mais rápido que o aquecimento causado pelo carbono dióxido. Além disso, se o aquecimento global, o efeito estufa ou por outros motivos 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 à mudança climática global na Terra, e as consequências dessas mudanças não podem nem ser previstas 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 bastante desagradável dos hidratos de gás de “detonar” ao menor tremor. Nesse caso, os cristais passam rapidamente pela fase de transformação para o estado gasoso e adquirem um volume várias dezenas de vezes maior que o original. Portanto, os relatórios dos geólogos japoneses falam com muito cuidado sobre as perspectivas para o desenvolvimento de hidratos de metano - afinal, o desastre da plataforma de perfuração Deepwater Horizon, segundo vários cientistas, incluindo o professor da Universidade da Califórnia em Berkeley Robert Bee , foi o resultado da explosão de uma bolha gigante de metano, que foi formada a partir de depósitos de hidrato de fundo perturbados por perfuradores.

Óleo e gás

Os hidratos de gás são considerados não apenas do lado de um recurso energético, eles são mais frequentemente encontrados durante a produção de petróleo. E novamente, voltamos ao naufrágio da plataforma Deepwater Horizon no Golfo do México. Em seguida, para controlar o vazamento de óleo, foi construída uma caixa especial, que foi planejada para ser colocada acima da cabeça do poço de emergência. Mas o óleo acabou sendo muito carbonatado e o metano começou a formar blocos de gelo inteiros de hidratos de gás nas paredes da caixa. Eles são cerca de 10% mais leves que a água e, quando a quantidade de hidratos de gás ficou grande o suficiente, eles simplesmente começaram a levantar a caixa, o que, em geral, foi previsto com antecedência por especialistas.

O mesmo problema foi encontrado na produção de gás convencional. Além dos hidratos de gás "naturais", a formação de hidratos de gás é grande problema em gasodutos principais localizados em climas temperados e frios, uma vez que os hidratos de gás podem entupir o gasoduto e reduzir sua vazão. Para evitar que isso aconteça, uma pequena quantidade de um inibidor é adicionada ao gás natural ou simplesmente o aquecimento é usado.

Esses problemas são resolvidos da mesma forma que na produção: baixando a pressão, aquecendo, introduzindo um inibidor.

Conclusão

Neste artigo, foram consideradas as barreiras que impedem a produção comercial de hidratos de gás. Eles são encontrados já na fase de desenvolvimento dos campos de gás, diretamente durante a própria produção. Além disso, hidratos de gás são atualmente um problema na produção de petróleo e gás. Hoje, reservas impressionantes de hidratos de gás, rentabilidade econômica exigem o acúmulo de informações e esclarecimentos. Especialistas ainda estão de olho soluções ideais desenvolvimento de depósitos de hidratos de gás. Mas com o desenvolvimento da tecnologia, o custo de desenvolvimento de depósitos deve diminuir.

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Avaliações:

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 solução desses problemas exigirá, entre outras coisas, a análise e generalização de dados heterogêneos de pesquisa científica e tecnológica, muitas vezes desordenados, caóticos. Portanto, o revisor recomenda os autores em suas mais trabalho 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, devendo ser publicado.

18/12/2015 02:02 Resposta à resenha do autor Polina Robertovna Kurikova:
Eu me familiarizei com o artigo, com o desenvolvimento do tópico, a solução dos problemas abordados, usarei essas recomendações. Graças a.