СУСПЕНЗИИ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ В НЕФТЯХ: ЧАСТЬ 1. ОБРАЗОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
Аннотация
В обзоре приведена информация о проведенных в последние 20 лет исследованиях, посвященных образованию и применению суспензий газовых гидратов в нефтях. Представлены наиболее распространенные математические модели, описывающие механизмы и динамику образования гидратных суспензий в нефти, в частности универсальная модель CSMHyK (The Colorado School of Mines Hydrate Kinetics model). Данная модель предусматривает первоначальное образование эмульсии воды в нефти, далее происходит первоначальное образование гидрата в виде коры на поверхности капель эмульсии и дальнейший рост гидрата за счет постепенного утолщения этой коры за счет диффузии газа в объем водных капель. Рассмотрена и предложенная недавно альтернативная модель, предусматривающая возможность разрушения гидратной коры и дальнейшего роста гидрата в виде сложных льдогидратных агломератов. Далее рассмотрена информация о различных классах веществ, способных стабилизировать суспензии газовых гидратов – так называемых антиагломерантах. Показано, что антиагломеранты являются надежным средством предотвращения образования гидратных пробок в трубопроводах; антиагломеранты способны диспергировать гидрат в практически любых условиях независимо от состава газа, состава раствора, переохлаждения и т.д. Наконец, в заключительной части обзора рассмотрены технологии ColdFlow и HYDRAFLOW, предусматривающие совместную транспортировку нефти и попутного нефтяного газа в виде газогидратной нефтяной суспензии. В первой из них устойчивость эмульсии обеспечивается отсутствием на поверхности гидратных частиц пленки свободной воды, благодаря чему действующие на частицы в потоке сдвиговые силы оказываются способными предотвращать их когезию/адгезию на стенки и разрушать уже образовавшиеся агломераты. Технология HYDRAFLOW предусматривает использование антиагломерантов.
Для цитирования:
Манаков А.Ю., Шиц Е.Ю., Цеков О.О., Адамова Т.П., Корякина В.В. Суспензии газовых гидратов в нефтях: часть 1. образование и использование. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2024. Т. LXVIII. № 4. С. 20-31. DOI: 10.6060/rcj.2024684.3.
Литература
Манаков А. Ю., Стопорев А. С. Актуальные аспекты физической химии газовых гидратов и их технологического применения. Успехи химии 2021. Т. 90. № 5. С. 566–600. DOI: 10.1070/RCR4986.
Манаков А.Ю., Пеньков Н.В., Родионова Т.В., Нестеров А.Н., Фесенко Е.Е. мл. Кинетика процессов образования и разложения газовых гидратов. Успехи химии 2017. Т. 86. № 9. С. 845–869. DOI: 10.1070/RCR4720
Бык С.Ш., Макогон Ю.Ф., Фомина В.И. Газовые гидраты. М.: Химия, 1980. 296 с.
Истомин В.А., Якушев В.С. Газовые гидраты в природных условиях. М: Недра, 1992. 236 с.
Кэрролл Дж. Гидраты природного газа: пер.с англ. под ред. А.Н. Золотоус, М.Я. Бучинского. М.: ЗАО «ПремиумИнжиниринг», 2007. 316 с.
Тептерева Г.А., Пахомов С.И., Четвертнева И.А., Каримов Э.Х., Егоров М.П., Мовсумзаде Э.М., Евстигнеев Э.И., Васильев А.В., Севастьянова М.В., Волошин А.И., Нифантьев Н.Э., Носов В.В., Докичев В.А., Бабаев Э.Р., Роговина С.З., Берлин А.А., Фахреева А.В., Баулин О.А., Колчина Г.Ю., Воронов М.С., Староверов Д.В., Козловский И.А., Козловский Р.А., Тарасова Н.П., Занин А.А., Кривобородов Е.Г., Каримов О.Х., Флид В.Р., Логинова М.Е. Возобновляемые природные сырьевые ресурсы, строение, свойства, перспективы применения. Изв. ву-зов. Химия и хим. технология 2021. Т. 64. Вып. 9. С. 4-121. DOI: 10.6060/ivkkt.20216409.6465.
Turner D.J., Miller K.T., Sloan E.D. Methane hydrate formation and an inward growing shell model in water-in-oil dispersions.Chem. Eng.Sci. 2009. V. 64. N 18. P. 3996–4004. DOI:10.1016/j.ces.2009.05.051.
Majid A.A.A., Grasso G., Creek J.L., Qin H., Charlton T., Estanga D., Koh C.A. A Review of Hydrate Formation for Partially Dispersed Systems in Multiphase Flow Conditions and the Detection of Hydrate Deposits.Proc.Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA, May 2017. (OTC-27877-MS), DOI:10.4043/27877-ms.
Zerpa L.E., Sloan E.D., Sum A.K., Koh C.A. Overview of CSMHyK: A transient hydrate formation model.J.Petroleum Sci.Eng. 2012. V. 98-99. P.122–129. DOI:10.1016/j.petrol.2012.08.017.
Hinze J.O. Fundamentals of the hydrodynamic mecha-nism of splitting in dispersion processes.AIChE J.1955. V. 1. N 3. P. 289–295. DOI:10.1002/aic.690010303).
Vysniauskas A., Bishnoi P.R. A kinetic study of methane hydrate formation.Chem. Eng.Sci. 1983. V. 38. N 7. P. 1061–1072. DOI: 10.1016/0009-2509(83)80027-X.
Englezos P., Kalogerakis N., Dholabhai P.D., Bishnoi P.R. Kinetics of gas hydrate formation from mixtures of methane and ethane.Chem.Eng.Sci. 1987. V. 42. N 11. P.2659–2666. DOI: 10.1016/0009-2509(87)87016-1.
Davies S. The Role of Transport Resistances in the For-mation and Remediation of Hydrate Plugs, Ph.D. Thesis. Golden, CO, USA: Colorado School of Mines, 2009.
Boxall J. Hydrate Plug Formation from 50% Water Content Water-in-Oil Emulsions, Ph.D. Thesis, Colorado School of Mines, Golden, CO, USA, 2009.
Boxall J.A., Koh C.A., Sloan E.D., Sum A.K., Wu D.T. Droplet Size Scaling of Water-in-Oil Emulsions under Turbulent Flow.Langmuir 2011. V. 28. N 1. P. 104–110. DOI:10.1021/ la202293t.
Dieker L.E., Taylor C.J., Koh C.A., Sloan E.D. Microme-chanical adhesion force measurements between cyclopentane hydrate particles. Proc. 6th International Conference of Gas Hydrates, Vancouver, Canada, 2008. DOI: 10.14288/ 1.0040979.
Aman Z.M., Zerpa L.E., Koh C.A., Sum A.K. Development of a Tool to Assess Hydrate-Plug-Formation Risk in Oil-Dominant Pipelines.SPE Journal 2015. V. 20. N 4. P.884–892. (SPE-174083-PA). DOI:10.2118/174083-PA.
Shi B.-H., Gong J., Sun C.-Y., Zhao J.-K., Ding Y., Chen G.-J. An inward and outward natural gas hydrates growth shell model considering intrinsic kinetics, mass and heat transfer.Chem.Eng.J. 2011. V. 171. N 3. P. 1308–1316. DOI: 10.1016/j.cej.2011.05.029.
Lv X., Liu Y., Shi B., Zhou S., Lei Y., Yu P., Duan J. Study of the Comprehensive Kinetic Model of Natural Gas Hy-drate Formation in a Water-in-Oil Emulsion Flow Sys-tem.ACS Omega 2020. V. 5. N 51. P. 33101-33112. DOI: 10.1021/ acsomega.0c04708.
Lv Y.-N., Sun C.-Y., Liu B., Chen G.-J., Gong J. A water droplet size distribution dependent modeling of hydrate formation in water/oil emulsion.AIChE J. 2016. V. 63. N 3. P. 1010–1023. DOI:10.1002/aic.15436).
Englezos P., Kalogerakis N., Dholabhai P.D., Bishnoi P.R. Kinetics of formation of methane and ethane gas hy-drates.Chem Eng Sci. 1987. V. 42. P. 2647–2658. DOI: 10.1016/0009-2509(87)87015-X.
Englezos P., Kalogerakis N., Dholabhai P.D., Bishnoi P.R. Kinetics of gas hydrate formation from mixtures of methane and ethane.Chem.Eng Sci. 1987. V. 42. P. 2659–2666. DOI: 10.1016/0009-2509(87)87016-1.
Frostman L.M., Przybylinski J.L .Successful Applications of Anti-agglomerant Hydrate Inhibitors. Proc.SPE International Symposium on Oilfield Chemistry, Houston, Texas, February 2001. (SPE-65007-MS). DOI:10.2118/65007-MS.
Frostman L.M. Anti-Agglomerant Hydrate Inhibitors for Prevention of Hydrate Plugs in Deepwater Systems.Proc. SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Dallas, Texas, October 2000. (SPE-63122-MS) DOI: 10.2118/63122-MS.
Kelland M.A. History of the Development of Low Dosage Hydrate Inhibitors.Energy&Fuels. 2006. V. 20. N 3. P. 825–847. DOI: 10.1021/ef050427x.
PatentUS 5460728Method for inhibiting the plugging of conduits by gas hydrates.Published 24.10.1995.
Patent US5648575 Method inhibiting the plugging of conduits by gas hydrates. Published 15.01.1997.
Patent WO 98/05745 Light duty liquid cleaning composi-tions. Published 12.02.1998.
Mehta A.P., Herbert P.B., Cadena E.R., Weatherman J.P. Successful applications of anti-agglomerant hydrate inhibitors. Proc. of the Offshore Technology Conference, Houston TX, 6–9 May,2002. (OTC 14057). DOI:10.4043/14057-MS.
Frostman L.M., Thieu V., Crosby D.L., Downs H.H. Low-Dosage Hydrate Inhibitors (LDHIs): Reducing Costs in Existing Systems and Designing for the Future .Proc. of the SPE International Symposium on Oilfield Chemistry, Houston, Texas, 5–8 February. 2003. (SPE 80269). DOI: 10.2118/80269-ms.
Brown E.P., Turner D., Grasso G., Koh C.A. Effect of wax/anti-agglomerant interactions on hydrate depositing systems.Fuel. 2020. V.264. art. 116573. DOI: 10.1016/j.fuel.2019.116573.
Zhao H., Sun M., Firoozabadi A. Anti-agglomeration of natural gas hydrates in liquid condensate and crude oil at constant pressure conditions.Fuel. 2016. V. 180. P. 187–193. DOI: 10.1016/j.fuel.2016.03.029.
Sun M., Firoozabadi A. Natural gas hydrate particles in oil-free systems with kinetic inhibition and slurry viscosity reduction.Energy&Fuels. 2014. V. 28. P. 1890–1895. DOI: 10.1021/ef402517c.
PatentUS 7381689B2 Methods for inhibiting hydrate blockage in oil and gas pipelines using amide compounds. Published 03.06.2008.
Patent US 4915176 Method of transporting a hydrate forming fluid. Published 10.04.1990.
Kelland M.A., Svartaas T.M., Ovsthus J. Studies on some zwitterionic surfactant gas hydrate anti-agglomerants.Chem.Eng.Sci. 2006. V. 61. art.4048_4059. DOI: 10.1016/j.ces.2006.02.003.
Liu J., Lin D., Liang D., Li J., Song Z. Effect of cocoamidopropyl betaine on CH4hydrate formation and agglomeration in waxy oil-water systems.Energy. 2023. V. 270. art. 126955. DOI: 10.1016/j.energy.2023.126955.
Patent CN105179939A Application of compound hydrate anti-polymeric agent containing rhamnolipid.Published 23.12.2015.
Saikia T., Mahto V. Evaluation of Soy Lecithin as Eco-Friendly Biosurfactant Clathrate Hydrate Antiagglomerant Additive J. Surfactants and Deterg. 2018. V. 21. N 1. P. 101–111. DOI: 10.1002/jsde.12018.
Гурбанов Г.Р., Гасымзаде А.В., Аббасова Л.А. Исследование нового многофункционального ингибитора в лабораторных условиях. Изв. вузов. Химия и хим. технология 2023. Т. 66. Вып. 8. С. 106-112. DOI: 10.6060/ivkkt.20236608.6764.
Гречищева Н.Ю., Королев А.М., Заворотный В.Л., Стародубцева К.А., Али М.С. Стабилизация эмульсий «масло-в-воде» высокодисперсными минеральными частицами: биодеградация и токсическое воздействие на гидробионты. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 2. С. 23-35. DOI: 10.6060/ivkkt.20236602.6729.
Straume E.O., Morales R.E.M., Sum A.K. Perspectives on Gas Hydrates Cold Flow Technology.Energy&Fuels2019. V. 33. N 1. P. 1–15. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.8b02816.
Gudmundsson J.S. Cold Flow Hydrate Technology. Proc. Forth International Conference on Gas Hydrates – Yoko-hama – Japan – May 19-23, 2002.
Lachance J.W., Talley L.D., Shatto D.P., Turner D. J., Eaton M.W. Formation of Hydrate Slurries in a Once-Through Operation.Energy&Fuels 2012. V. 26. N 7. P. 4059–4066. DOI: 10.1021/ef3002197.
Turner D., Talley L. Hydrate Inhibition via Cold Flow - no Chemicals or Insulation // Proc. 6th International Conference on Gas Hydrates (ICGH 2008). Vancouver. British Columbia. Canada. July 6-10, 2008.
Azarinezhad R., Chapoy A., Anderson R., Tohidi B. HYDRAFLOW: A Novel Approach in Addressing Flow Assurance Problems // Proc. 6th International Conference on Gas Hydrates (ICGH 2008). Vancouver. British Columbia. Canada, July 6−10. 2008.
Azarinezhad R., Chapoy A., Anderson R., Tohidi B. HYDRAFLOW: A Novel Approach in Addressing Flow Assurance Problems.Proc. 6th International Conference on Gas Hydrates (ICGH 2008). Vancouver. British Columbia. Canada, July 6−10. 2008.
Akpabio M.G. Cold Flow in Long-Distance Subsea Pipe-lines. M.Sc. thesis, Norwegian University of Science and Technology, 2013.
Levin I.V., Glazkov O.V., Malyshev S.A. Applicability Appraisal of the Multiphase Transport Technologies of Associated Petroleum Gas in the Arctic Shelves of the Russia //SPE Russian Oil & Gas Exploration & Production Technical Conference and Exhibition 2012. Moscow. Russia.16-18 October. 2012, 1822 p. (SPE 162009). DOI: 10.2118/162009-RU.
Валько И., Тохиди Б., Азаринежат Р., Глазков О. Кон-цепция HYDRAFLOW: новый подход к утилизации газа на российских месторождениях. Нефтяное хозяйство 2008. Т. 11. С. 12-16.
Azarinezhad R., Valko I., Chapoy A., Tohidi B. Can Gas Hydrates Provide a Solution to Gas Utilisation Challenges in Russian Oil Fields? Proc. SPE Russian Oil and Gas Technical Conference and Exhibition – Moscow – Russia, October 28–30, 2008 (SPE-116884-MS). DOI: 10.2118/116884-MS.
