Ученые ПНИПУ создали модель, предсказывающую появление ледяных пробок в газопроводах с сероводородом с точностью 99,5%
Решение предложили ученые Пермского Политеха: они впервые в России экспериментально изучили поведение гидратов в присутствии сероводорода и создали математическую модель, прогнозирующую их образование с точностью более 99,5%. Разработка позволит предотвращать аварии, экономнее использовать дорогостоящие химические реагенты для борьбы с гидратами и безопасно разрабатывать месторождения с «кислым» газом в сложных условиях Арктики и на морских шельфах.
Россия обладает крупнейшими в мире запасами арктических углеводородов. По данным Восточного центра государственного планирования (Востокгосплан), на долю нашей страны приходится 73% всех арктических запасов газа и 45% нефти. Однако разработка этих месторождений связана с серьезными технологическими трудностями.
Одна из главных проблем — образование гидратов. При добыче и транспортировке газа в трубах из-за высокого давления и низкой температуры формируются твердые кристаллические соединения, напоминающие лед. Они накапливаются на стенках, сужают просвет, а затем перекрывают его. Это приводит к остановке добычи, авариям и миллиардным убыткам.
До 40% разведанных запасов природного газа в России относятся к категории трудноизвлекаемых и содержат агрессивные примеси, включая сероводород. Этот компонент делает газ «кислым» и принципиально меняет условия образования гидратов: его молекулы легко встраиваются в формирующиеся кристаллы, поэтому пробки могут появиться даже там, где обычно не образуются. Особенно остро эта проблема стоит в Арктике: именно здесь, в условиях низких температур, риск образования гидратов наиболее высок, а значительная часть новых месторождений содержит сероводород. Из-за гидратных пробок добывающие скважины простаивают в среднем 18 часов в месяц, что тормозит добычу и приносит убытки.
Однако экспериментальных данных о поведении гидратов в присутствии сероводорода в мире крайне мало — исследования с этим ядовитым и коррозионно-активным газом сложны, опасны и требуют уникального оборудования.
Ученые Пермского Политеха создали герметичную лабораторную установку с реактором высокого давления и системой поддержания температуры, позволяющую безопасно работать с сероводородом. Это дало возможность впервые в России детально изучить поведение гидратов в «кислой» среде.
Применив метод пошагового нагрева, исследователи точно зафиксировали, при каких давлении и температуре гидраты образуются и разрушаются в газовой смеси метана и сероводорода. Эксперименты охватили диапазон от +9 до +15°C и от 56 до 122 атмосфер — именно такие условия характерны для реальных газопроводов. Например, при +15°C гидраты образуются при давлении 122 атмосферы, а при +9°C — уже при 56 атмосферах.
«Мы экспериментально определили, при каких давлении и температуре гидраты не образуются в газовой смеси с сероводородом, и разработали математические модели, которые позволяют это прогнозировать. Главный результат: отклонение расчетов от реальных лабораторных данных не превышает 0,5%», — комментирует Владимир Поплыгин, директор Когалымского филиала ПНИПУ, кандидат технических наук.
Разработанная математическая модель обеспечивает рекордную точность: погрешность составляет менее 0,5%. Для сравнения: стандартные расчетные методы, созданные для обычного газа, при работе с сероводородом могут давать отклонения до 7–8%. Это означает, что инженеры, полагающиеся на них, рискуют либо не заметить опасность образования гидратов, либо перестраховаться и увеличить затраты на борьбу с ними. Новая модель позволяет рассчитывать безопасные режимы для кислых газов с высокой надежностью.
Для предотвращения образования гидратов в газопроводах используют специальные химические вещества — ингибиторы. Они замедляют рост кристаллов или не дают им слипаться в крупные пробки, позволяя газу беспрепятственно проходить по трубам даже в условиях низких температур и высокого давления. Однако традиционные ингибиторы теряют эффективность в присутствии сероводорода, который вступает с ними в реакцию и снижает их защитные свойства.
Ранее другая группа ученых Пермского Политеха разработала новые ингибиторы на основе поликватерниумов — соединений, которые в два раза эффективнее традиционных аналогов и устойчивы к агрессивному воздействию сероводорода. Это позволит надежно защищать газопроводы от гидратов, экономить на реагентах и безопасно разрабатывать месторождения с высоким содержанием сероводорода.
Разработанная математическая модель позволяет инженерам на промыслах оперативно оценивать риски образования гидратов при конкретных давлении и температуре, заранее выбирать безопасные режимы эксплуатации оборудования, экономить на ингибиторах, а также предотвращать аварии и остановки добычи, вызванные закупоркой труб гидратными пробками. Это особенно важно для Арктики, где низкие температуры и высокое давление создают идеальные условия для гидратообразования, а любой сбой грозит серьезными последствиями для всей производственной цепочки.