Текущее состояние. Отложение газовых гидратов и АСПО в значительной степени снижает производительность добывающей скважины, снижая рентабельность добычи углеводородов. Агломерация газовых гидратов и АСПО в единое образование еще больше затрудняет эксплуатацию добывающей скважины. Правильное понимание и управление процессами образования органических отложений в скважинном пространстве и могут существенно сократить затраты на обслуживание оборудования, повысить безопасность и стабильность производства, а также улучшить экономическую эффективность добычи углеводородов.

Решаемая научная проблема. Целью работы является анализ времени нуклеации молекул газовых гидратов в нефтяном потоке. Исследований направлено на изучение влияния частиц парафина на время образования гидратных отложений при добыче нефти механизированным способом.

Методы исследования. В первой части работы представлена методика определения условий образования газовых гидратов и асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) в добывающих нефтяных скважинах. Далее были проведены лабораторные исследования по анализу времени нуклеации газовых гидратов в присутствии парафинов. Эксперимент проводился в специальном автоклаве высокого давления GHA-350, в котором создавались необходимые термобарические условия для образования газовых гидратов, мешалка внутри автоклава создавала необходимую степень дисперсности системы для моделирования движения потока в скважине.

Детали исследования. Представленный алгоритм определения условий образования газовых гидратов и асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) в добывающих нефтяных скважинах необходим для решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений на основе измерений термобарических условий внутри скважины и условий образования гидратных и асфальтосмолопарафиновых отложений.

В результате данного алгоритма получаются точные значения начальных глубин образования АСПО и кристаллогидратов.

В работе производится оценка влияния парафина на кинетику и термодинамику процесса образования гидратов метана СН4. Изменяя массовое содержание растворенного парафина, появляется возможность установить зависимость между условиями образования кристаллогидратов и количеством парафина в системе. Экспериментальные исследования проводились на базе Горного университета в лаборатории с экспериментальной установкой, представляющей собой реактор-автоклав Gas HydrateAutoclave GHA 350 и систему подготовки модельного газа, позволяющего проводить исследования образования гидратов при температурах от -10 до 60 °C и давлении до 35 МПа. Сама методика исследования была разработана и протестирована сотрудниками Научного Центра «Арктика» Санкт-Петербургского горного университета императрицы Екатерины II.

Была представлена методика проведения лабораторного эксперимента:

1. Приготовление раствора парафина в керосине.

2. Подготовка автоклава к эксперименту.

3. Эксперимент по нахождению равновесной точки гидратообразования.

В ходе лабораторных исследований процесса гидратообразования в присутствии парафина было установлено, что, при низких давлениях системы и низких температурах гидратообразования время образования кристаллов гидратов значительно увеличивается. Соответственно, для изучения влияния парафина на скорость нуклеации и кинетические особенности газовых гидратов была разработана следующая методика:

1. Приготовление раствора парафина в керосине.

2. Подготовка автоклава к эксперименту.

3. Эксперимент по нахождению времени образования кристаллов гидрата.

Подробно с методиками можно ознакомиться в тексте работы.

Заключение. В ходе данных исследований было получено несколько важных результатов.

Во-первых, был представлен метод нахождения глубины образования кристаллогидратов и АСПО в добывающей скважине. Алгоритм позволят с высокой точностью определить глубины образования органических отложений в определенный момент времени при опредленых параметрах работы скважинного оборудования. Также есть возможность улучшить данный метод для учета временных изменений параметров добычи углеводородов. Для этого необходимо вносить новые зависимости и дифференциальные уравнения, учитывающие время нуклеации газовых гидратов в присутствии парафинов в потоке. Данные уравнения представляется возможность сформировать на основании лабораторных исследований, проведенных в рамках данной работы.

Во-вторых, Была получена равновесная кривая гидратообразования для системы с содержанием парафина 5%. Получены также точки для содержания парафина 2% с неизменными остальными параметрами с газожидкостной системы и автоклава.

В-третьих, были получены закономерности времени образования кристаллов гидратов при наличии в системе кристаллов парафинов:

1. Процесс нуклеации и образования кристаллогидратов стохастический, время варьируется от 30 мин до нескольких часов.

2. Модельная смесь обладает эффектом памяти, в результате которого ближайшие эксперименты имеют практически равные промежутки нуклеации. Также эффект памяти способствует более быстрому образованию газогидратов после повторных экспериментов.

3. Уменьшение степени переохлаждения значительно увеличивает период нуклеации газогидратов, так например, при снижении температуры переохлаждения с 3 ℃ до 2 ℃ привело к увеличению времени нуклеации в среднем в 4-5 раз;

4. Увеличение содержания парафина в смеси также значительно увеличивает время нуклеации газовых гидратов. При проведении серии испытаний для содержания парафина 5% было установлено, что среднее время нуклеации увеличилось в 9 раз. Так при 2% парафина среднее время нуклеации составляет 94 минуты, а для содержания парафина 5% - 826 минут. Данное увеличении свидетельствует, что увеличение содержания парафина в смеси снижает массо- и теплоперенос между молекулами гидрата, тем самым препятствуя образованию крупных агломератов газового гидрата. Данный эффект позволяет учитывать ингибирующие свойства парафина на процесс образования гидратных отложений при добыче нефти.

При дальнейших экспериментальных исследованиях для определения наиболее вероятного индукционного периода при образовании гидрата необходимо будет скорректировать методику исследования для сокращения влияния эффекта памяти при повторном образовании гидрата. В ходе нескольких экспериментов в рамках исследования был получен эффект увеличения индукционного периода при нагреве смеси до 35-40 градусов перед повторным охлаждением. При этом на эффект памяти может оказывать влияние происхождение воды и время выдержки ее после разрушения гидрата.