Борьба с гидратообразованиями в системе сбора УКПГ-1в Ямбургского месторождения

 

Потери вследствие растворимости  гликолей в углеводородах невелики, однако они увеличиваются при  наличии в конденсате ароматических  углеводоров. При наличии в конденсате ароматических углеводородов гликоли образуют пену и  эмульсии, что отрицательно влияет на работу установки и увеличивает потери.

 

6. Расчетная часть

6.1 Гидравлический  и тепловой расчет шлейфов  существующей системы сбора скважинной продукции

 

Гидравлический расчет шлейфа выполняется для определения  потерь давления при движении определенного количества газа по трубопроводу, распределения давления по его длине.

Тепловой расчет шлейфа производится с целью оценки распределения температуры по его длине для  определения места возможного гидратообразования и температуры газа на входе в УКПГ.

Конечное давление в  шлейфе при известном начальном  давлении определяется так [8]:

 

,                                       (6.1)

 

где Р_к и Р_у - конечное и устьевое давление соответственно, МПа;

- относительная плотность газа  по воздуху;

L - длина шлейфа, км;

d - внутренний диаметр шлейфа, мм;

z — коэффициент сверхсжимаемости газа;

Т _ср- средняя температура газа в шлейфе. К;

Q-  расход газа в нормальных  условиях,млн.м³/сут.

Коэффициент гидравлического сопротивления l зависит от режима движения газа. В промысловых газопроводах режим движения всегда турбулентный. Для такого режима существует несколько формул, определяющих величину l.    Наиболее простая и распространенная из них эмпирическая формула, предложенная Веймаутом :

 

l = 0,009407/d^0.333,                                          (6.2)

 

Среднюю температуру газа на расчетном  участке вычисляют по уравнению:

,                                 (6.3)

 

где Т_ос и Т_у – температура окружающей среды и на устье скважины, соответственно, К;

L – длина шлейфа, км;

а – параметр Шухова, рассчитывают по формуле:

 

,                                                  (6.4)

где К – коэффициент  теплопередачи от транспортируемого  газа к окружающей среде, Вт/(м²°С);

С_р – изобарная теплоемкость газа, кДж/к;

Q – расход газа в шлейфе, млн.м³/сут.;

d_н – наружный диаметр шлейфа, мм.

Наибольшее затруднение для расчета представляет коэффициент теплопередачи от транспортируемого газа к окружающей среде, подробный расчет будет приведен в следующем пункте.

При известном значении Рк движение на заданном участке шлейфа определяют по формуле:

,                                 (6.5)

 

где  X - расстояние от начала до расчетной точки шлейфа, км.

Температура газа на заданном участке  шлейфа может определяться по уравнению:

,                  (6.6)

 

где D_i – эффект Джоуля – Томсона, то есть снижение температуры газа при понижении давления, °С/МПа;

L — длина шлейфа, км;

P_ср - среднее значение давления на расчетном участке шлейфа, определяется по уравнению, МПа:

,                                           (6.7)

где Р_у и Р_к – давление в начале и конце шлейфа, МПа.

6.1.1 расчет коэффициента теплопередачи от транспортируемого газа к окружающей среде [5,6]

 

Транспорт газа от скважин до УКПГ осуществляется по газопроводам-шлейфам. Способ прокладки шлейфов – надземный, на низких опорах с теплоизоляцией из пенополиуретана и защитным покрытием из металлического листа. В отличии от других месторождений где шлейфы прокладываются подземным способом, наземный имеет преимущество – теплопотери менее значительны.

Рассмотрим расчет коэффициента теплопередачи. Теплопотери - процесс переноса тепла  от газа через стенку тепловой изоляции к окружающему воздуху. Плотность  теплового потока находится по уравнению  теплопередачи для тонкой стенки (d_н/ d_в =223/203=1,093<2, т.е. изоляция тонкостенная и кривизна стенки слабо влияет на величину теплового потока [6]).

q=k(t_г-t_в),                                                   (6.8)

где  t_г – температура газа, ⁰С;

       t_в – температура наружного воздуха, ⁰С;

       , коэффициент теплопередачи, Вт/(м²*⁰С);

       d_i – толщина i-го слоя многослойной изоляции, м;

       l_i – коэффициент теплопроводности материала i-го слоя, Вт/(м*⁰С).

Коэффициенты теплоотдачи  от продуктов сгорания к внутренней поверхности изоляции a₁ и от наружной поверхности к окружающему воздуху a₂  могут быть найдены из уравнения

q=a₁ (t_г-t_с1),        (6.9)

q=a₂ (t_с2-t_в),        (6.10)

где t_с1 и t_с2 – температура стенки соответственно со стороны газа и воздуха.

Чтобы определить плотность q по зависимостям (6.8), (6.9) и (6.10), необходимо знать a₁ и a₂. Большое число факторов, влияющих на коэффициент теплоотдачи, затрудняет его расчетную оценку.

Можно найти плотность q по уравнению теплопроводности, для двухслойной изоляции (первая – труба, вторая – изоляция из пенополиуретана):

q=

(t_с1 – t_сл1),                  (6.11)

q=

(t_сл1 – t_с2),                  (6.12)

где t_сл1 – температура в месте контакта первого и второго слоев изоляции, ⁰С.

Температуру t_сл1 можно найти из из совместного решения уравнений (6.11) и (6.12).

Коэффициент теплопроводности для каждого слоя рассчитывается по зависимости l_i=a_i+b_it_i.

Температуру стенки изоляции со стороны воздуха необходимо уточнять, т.к. не учет особенностей передачи тепла может привести к большим ошибкам в расчетах. По известной разности температур и скорости ветра из графика [5] находим  a₂, далее сравниваем с расчетной, если сходится, то по формуле находим коэффициент теплопередачи k.

Все расчеты выполним с помощью программы написанной в Turbo Pascal. (Приложение Г ). Результаты расчета приведены в таблице

 

Таблица №

Температура воздуха, 0С	Скорость ветра, м/с	Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*0С)
-30	3	1,086
	15	1,535
+10	3	1,076
	15	1,13

По результатам таблицы можно судить, на сколько влияет скорость ветра на коэффициент теплопередачи для наземных шлейфов.

 

            6.2 Расчёт расхода ингибитора гидратообразования

 

    Расчет расхода метанола  при подготовке и транспорте  природного газа производится  по РД 39-3-636-81 "Методика расчета норм расхода метанола на подготовку, транспорт природного и нефтяного газа" при известных параметрах:

             - суточный объем газа Q, нм³/сут.;

             - начальное и конечное давление  в газопроводе Р₁ и Р₂, МПа;

             - относительная плотность газа (по  воздуху) D;

             - начальная и конечная температура  Т₁ и Т₂, ⁰С;

             - конденсатный фактор G_К, кг/1000м³ газа;

             - концентрация свежего метанола  С₁, % вес.

             Влагосодержание газа в начале и конце участка определяется по экспериментальным зависимастям.

Определяется среднее давление на участке:

                                     ,МПа                                    (6.13)

             По графику определяем равновесную температуру Т  гидратообразования при среднем давлении Р_ср и плотности газа D, ⁰С.

            Находим величину снижения равновесной  температуры по формуле:

 

                                      DТ = Т - Т₂,   ⁰С .                                                  (6.14)

             Определяем  концентрацию метанола  в конце участка С₂, % вес. (концентрацию отработанного метанола), которая обеспечивает снижение равновесной температуры гидратообразования на величину DТ по формуле:

        По известному T определяется концентрация насыщенного метанола Х2 в конце шлейфа. Здесь используется уточненная зависимость ВНИИГаза Х2 от AT, которая имеет вид:

 

                 (7.5)

 

      

 

        где:

        Р - давление газа в защищаемой  от гидратов точке, МПа;

        Х₂ - массовая концентрация ингибитора в отработанном растворе, % масс.

        Из вышеприведенных формул определяется  величина Х₂ - требуемая концентрация метанола в защищаемой точке. Задавая рекомендуемое там же значение параметра А =77 определяется:

                                                                       (7.6)

 

                                        С₂=32DТ /(1220+32DТ) .                                         (6.15)

 

Определяем количество метанола, необходимое для насыщения  жидкой фазы по формуле:

 

                                            , кг/1000м ³ .                                (6.17)

Определяем количество метанола, необходимое для насыщения газообразной среды по формуле:

 

                                                 , кг/1000 м ³  .                                (6.18)

a=0,197Р^-0,7ехр[6,054*10^-2(Т-273,15)+5,399]

               По график определяем коэффициент a для давления Р₂ и Т₂.

Определяем количество метанола, растворившегося  в конденсате по формуле:

q_к=

где G_к – масса конденсата, содержащегося в 1000 м³ газ;

К – коэффициент, зависящий от молекулярной массы массы конденсата,

К=0,000143М_к²-0,0414М_к+3,174.

Здесь М_к – молекулярная масса конденсата.

 

q_к=

,    кг/1000 м ³                          (6.19)

где,  С_к=0,2118*10^-3Х₂-0,2682*10^-2Х₂+0,02547, - растворимость метанола в конденсате;

Q_к – добыча конденсата, м³/сут;

Q_к – добыча газа, тыс.м³/сут;

r_к – средняя плотность конденсата, кг/м³.

Определяем норму расхода  на технологический процесс по формуле:

 

                                 , кг/1000 м ³ .                            (6.20)

 

 

Гидравлический и тепловой расчет шлейфа по предложенной выше изложенной методике произведен при помощи ЭВМ, в Turbo Pascal. Расчет расхода ингибитора гидратообразования при различных условий транспортировки газ наУКПГ в электронной таблице Excel (приложения В и Г). За исходные данные  взяты величины, приведенные в приложениях (А) и (Б). Результаты расчета приведены ниже.

В качестве обозначений в расчете  примем:

х – расстояние от шлейфа до расчетной  точки, км;

Р – давление в расчетной точке, МПа;

Т – температура в расчетной  точке, К;

T_г – температура гидратообразования в расчетной точке, К.

 

Для кустов 102-104

Лето

х, км	Р, МПа	Т, К	Тг, К
1,00	12,1800	306,3623	297,9579
2,00	12,1297	305,7413	297,9248
3,00	12,0793	305,1365	297,8913
4,00	12,0286	304,5474	297,8576
5,00	11,9777	303,9736	297,8236
6,00	11,9266	303,4145	297,7893
7,00	11,8753	302,8698	297,7547
8,00	11,8238	302,3391	297,7198
9,00	11,7720	301,8220	297,6846
10,00	11,7200	301,3180	297,6491