نمودار فازی و بازدارنده‌هایی که از تشکیل هیدرات متان در خطوط لوله زیردریایی جلوگیری می‌کنند

در عمق ۳۰۰۰ فوت (حدود ۹۱۴ متر) زیر سطح اقیانوس، جایی که دمای آب دریا در حدود ۳۹٫۲ درجه فارنهایت (۴ درجه سانتی‌گراد) یعنی نزدیک به نقطه انجماد است و فشار هیدرواستاتیک از ۱۳۰۰ پوند بر اینچ مربع فراتر می‌رود، حالت فیزیکی گاز طبیعی دستخوش تغییری بنیادین می‌شود. مولکول‌های آب و متان که در کنار هم از یک مخزن زیرزمینی جریان می‌یابند، از یک آستانه دقیق ترمودینامیکی که توسط محیط آب‌های عمیق تحمیل می‌شود، عبور می‌کنند.[5]

تحت این شرایط خاصِ فشار بالا و دمای پایین، مولکول‌های آب یک شبکه صلب با پیوند هیدروژنی می‌سازند که گاز متان را از نظر فیزیکی درون خود به دام می‌اندازد. ساختار حاصل که به عنوان کلاترات یا هیدرات متان شناخته می‌شود، شبیه به یخ فشرده است اما در صورت اشتعال می‌سوزد. بر اساس گزارش آزمایشگاه ملی فناوری انرژی (NETL)، یک متر مکعب از این هیدرات جامد حاوی حداکثر ۱۶۴ متر مکعب گاز متان فشرده است.[4]

در خطوط لوله زیردریایی، این جامدات بلوری یک خطر عملیاتی فاجعه‌بار محسوب می‌شوند. با تجمع بلورهای هیدرات در امتداد دیواره‌های فولادی داخلی، سطح مقطع جریان محدود شده و در نهایت توده‌های مسدودکننده جامدی شکل می‌گیرند. یک توده هیدرات می‌تواند صدها فوت امتداد یابد، تولید را به طور کامل متوقف کند و جهش‌های فشار موضعی شدیدی ایجاد کند که قادر به پاره کردن زیرساخت خط لوله است.[6]

در مقاله‌ای مروری که در نشریه Energies وابسته به MDPI منتشر شده، آمده است: «هیدرات‌های گازی یکی از بحرانی‌ترین چالش‌های تضمین جریان در تولید نفت و گاز در آب‌های عمیق هستند.» برای جلوگیری از این انسدادها، مهندسان تضمین جریان باید نمودار فازی را دستکاری کنند؛ یعنی همان رابطه ریاضی بین فشار و دما که تعیین می‌کند هیدرات‌ها چه زمانی می‌توانند از نظر فیزیکی وجود داشته باشند.[3]

روش سنتی بر بازدارنده‌های ترمودینامیکی هیدرات (THIs)، عمدتاً متانول یا مونو اتیلن گلیکول (MEG) متکی است. این مواد شیمیایی با تغییر بنیادین محیط ترمودینامیکی عمل می‌کنند. بازدارنده‌های ترمودینامیکی با پیوند خوردن به مولکول‌های آب آزاد در خط لوله، کل مرز فازی هیدرات را به سمت دماهای پایین‌تر و فشارهای بالاتر جابه‌جا کرده و عملاً شرایط عملیاتی خط لوله را از منطقه خطر خارج می‌کنند.[1][3]

با این حال، این تغییر ترمودینامیکی نیازمند حجم عظیمی از مواد شیمیایی است. شرکت Rodanco، تولیدکننده افزودنی‌های شیمیایی، توضیح می‌دهد که بازدارنده‌های ترمودینامیکی باید با غلظت‌هایی بین ۱۰ تا ۵۰ درصد از کل حجم آب موجود در خط لوله تزریق شوند. برای چاهی با برش آب بالا که روزانه ۱۰۰۰۰ بشکه آب تولید می‌کند، اپراتور باید روزانه تا ۵۰۰۰ بشکه متانول را به طور پیوسته پمپاژ، بازیابی و احیا کند.[1]

این نیاز حجمی، جریمه‌های سرمایه‌ای و ساختاری سنگینی را بر سکوهای فراساحلی تحمیل می‌کند. زیرساخت‌های روی عرشه که برای ذخیره‌سازی، پمپاژ و جداسازی هزاران بشکه MEG یا متانول مورد نیاز است، صدها تن وزن و ده‌ها میلیون دلار هزینه سرمایه‌ای به یک تاسیسات آب‌های عمیق اضافه می‌کند.[7]

برای دور زدن محدودیت‌های جرمی بازدارنده‌های ترمودینامیکی، صنعت به توسعه بازدارنده‌های هیدرات با دوز پایین (LDHIs) روی آورد. این مواد به جای تغییر مرز فازی ترمودینامیکی، بر روی سینتیک تشکیل بلور عمل می‌کنند. آن‌ها با غلظت‌های حجمی تنها ۰٫۱ تا ۱٫۰ درصد تزریق می‌شوند که در مقایسه با روش‌های سنتی ترمودینامیکی، ردپای لجستیک شیمیایی را به میزان ۵۰ تا ۱۰۰ برابر کاهش می‌دهد.[2][7]

بازدارنده‌های با دوز پایین به دو دسته شیمیایی مجزا تقسیم می‌شوند: بازدارنده‌های سینتیکی هیدرات (KHIs) و ضدکلوخه‌سازها (AAs). بازدارنده‌های سینتیکی، پلیمرهای محلول در آبی هستند که به مکان‌های میکروسکوپی هسته‌زایی هیدرات متصل شده و رشد بلورها را برای یک دوره مشخص (اغلب ۲۴ تا ۴۸ ساعت) از نظر فیزیکی به تاخیر می‌اندازند؛ این امر به سیالات اجازه می‌دهد تا پیش از تشکیل توده مسدودکننده، به تاسیسات فرآورش برسند.[2][3]

در مقابل، ضدکلوخه‌سازها مانع رشد بلورها نمی‌شوند. در عوض، این عوامل فعال سطحی به ذرات هیدرات چسبیده و آن‌ها را در سراسر فاز هیدروکربن مایع پراکنده می‌کنند. هیدرات‌ها تشکیل می‌شوند، اما به جای ادغام شدن و ایجاد یک توده جامد که خط لوله را پاره کند، به شکل یک دوغابِ شل و قابل پمپاژ باقی می‌مانند.[3]

بهای این کاهش حجم تزریق، یک محدوده عملیاتی سخت‌گیرانه است. بازدارنده‌های سینتیکی با پدیده «مادون‌سردشدگی» (اختلاف دمای بین دمای عملیاتی خط لوله و دمای طبیعی تشکیل هیدرات) محدود می‌شوند. اگر میزان مادون‌سردشدگی از حدود ۲۰ درجه فارنهایت فراتر رود، تاخیر سینتیکی با شکست مواجه شده و هیدرات‌ها به سرعت متبلور می‌شوند.[6]

ضدکلوخه‌سازها با محدودیت متفاوتی روبرو هستند: آن‌ها برای پراکنده کردن دوغاب هیدرات به یک فاز پیوسته هیدروکربن مایع نیاز دارند. اگر خط لوله عمدتاً گاز خشک با محتوای آب بالا و حداقل میعانات مایع تولید کند، مواد شیمیایی ضدکلوخه‌ساز هیچ محیطی برای معلق نگه داشتن بلورها نخواهند داشت و در نتیجه بی‌اثر می‌شوند.[6]

انتخاب بین این سه مسیر شیمیایی، کل معماری یک پروژه توسعه در آب‌های عمیق را دیکته می‌کند. اپراتوری که MEG را انتخاب می‌کند باید یک کارخانه عظیم احیا بر روی عرشه بسازد، در حالی که اپراتوری که یک بازدارنده سینتیکی را برمی‌گزیند باید تضمین کند که زمان عبور سیال از خط لوله، حتی در طول یک توقف برنامه‌ریزی‌نشده، کوتاه‌تر از پنجره زمانی تاخیر سینتیکی ماده شیمیایی باقی می‌ماند.[7]