نمودار فازی و بازدارندههایی که از تشکیل هیدرات متان در خطوط لوله زیردریایی جلوگیری میکنند
در فشار و دمای آبهای عمیق، متان و آب تودههای یخمانندی به نام هیدرات تشکیل میدهند که میتواند به پارگی خطوط لوله منجر شود. اپراتورها باید بین بازدارندههای ترمودینامیکی با حجم بالا که مرز فازی را جابهجا میکنند، و مواد شیمیایی با دوز پایین که رشد بلورها را به تاخیر میاندازند، یکی را انتخاب کنند.
به قلم وحید بختیاری
این خبر را به اشتراک بگذارید
بهطور خلاصه
- هیدراتهای متان زمانی در خطوط لوله زیردریایی تودههای جامد و یخمانند تشکیل میدهند که فشار بالا و دمای پایین، مولکولهای گاز را در یک شبکه آب به دام بیندازند.
- بازدارندههای ترمودینامیکی هیدرات (THIs) مانند متانول مرز فازی را جابهجا میکنند، اما به حجم تزریق عظیمی بین ۱۰ تا ۵۰ درصد نیاز دارند.
- بازدارندههای هیدرات با دوز پایین (LDHIs) با تغییر سینتیک تبلور به جای ترمودینامیک، حجم مواد شیمیایی را به زیر ۱ درصد کاهش میدهند.
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]
بازدارندههای سینتیکی با پدیده «مادونسردشدگی» (اختلاف دمای بین دمای عملیاتی خط لوله و دمای طبیعی تشکیل هیدرات) محدود میشوند.
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]
بررسی عمیق دیدگاهها
بازدارندههای ترمودینامیکی هیدرات (THIs)
مواد شیمیایی با حجم بالا مانند متانول و MEG که مرز فازی را جابهجا میکنند.
**موافق:** قابلیت اطمینان مطلق. این بازدارندهها از نظر فیزیکی از وجود هیدراتها در شرایط عملیاتی خط لوله جلوگیری کرده و حتی در طول توقفهای طولانیمدت، محافظت نامحدودی ارائه میدهند. **مخالف:** به حجم تزریق عظیمی (۱۰ تا ۵۰ درصد برش آب) نیاز دارد که مستلزم مخازن ذخیرهسازی سنگین روی عرشه، واحدهای احیای گرانقیمت و هزینههای لجستیکی بالا است. **شواهد:** تحقیقات MDPI تایید میکند که وقتی مادونسردشدگی از محدودیتهای سینتیکی جایگزینهای با دوز پایین فراتر میرود، THIها تنها گزینه مناسب هستند. **مناسب برای زمانی که:** مادونسردشدگی شدید است، برشهای آب پایین است، یا تاسیسات ظرفیت وزنی کافی روی عرشه دارد. **نامناسب برای زمانی که:** سکوهای آبهای عمیق با محدودیتهای وزنی سختگیرانهای مواجه هستند یا تولید آب به طور استثنایی بالاست.
بازدارندههای سینتیکی هیدرات (KHIs)
پلیمرهایی با دوز پایین که رشد بلورهای هیدرات را به تاخیر میاندازند.
**موافق:** حجم مواد شیمیایی را به شدت به ۰٫۱ تا ۱٫۰ درصد کاهش میدهد، نیاز به کارخانههای عظیم احیا روی عرشه را از بین میبرد و هزینههای سرمایهای را پایین میآورد. **مخالف:** محافظت از نظر زمانی محدود است (معمولاً ۲۴ تا ۴۸ ساعت). اگر خط لوله فراتر از پنجره زمانی تاخیر متوقف شود، انسداد فاجعهباری رخ خواهد داد. **شواهد:** دادههای میدانی نشان میدهد که وقتی حاشیه مادونسردشدگی از ۲۰ درجه فارنهایت فراتر میرود، KHIها با شکست مواجه میشوند. **مناسب برای زمانی که:** زمانهای عبور سیال کوتاه است، مادونسردشدگی در حد متوسط است و وزن روی عرشه به شدت محدود است. **نامناسب برای زمانی که:** خط لوله توقفهای مکرر و طولانیمدت را تجربه میکند یا در دماهای بسیار پایین آبهای عمیق که از حد مادونسردشدگی فراتر میرود، کار میکند.
ضدکلوخهسازها (AAs)
عوامل فعال سطحی که اجازه تشکیل هیدراتها را میدهند اما آنها را به صورت یک دوغاب قابل پمپاژ پراکنده نگه میدارند.
**موافق:** در حاشیههای مادونسردشدگی بسیار بالاتر از KHIها به طور موثر عمل میکند، در حالی که مزایای حجم دوز پایین (۰٫۱ تا ۱٫۰ درصد) را حفظ میکند. **مخالف:** برای معلق نگه داشتن دوغاب به یک فاز پیوسته هیدروکربن مایع نیاز دارد؛ در خطوط لوله گاز خشک بیاثر است. میتواند جداسازی آب و نفت را در پاییندست پیچیده کند. **شواهد:** دستورالعملهای عملیاتی SPE حداکثر برش آب را برای AAها الزامی میکند تا پیش از وارونگی امولسیون، پراکندگی حفظ شود. **مناسب برای زمانی که:** چاه مقادیر قابلتوجهی هیدروکربن مایع (نفت یا میعانات) در کنار گاز و آب تولید میکند و مادونسردشدگی از محدودیتهای KHI فراتر میرود. **نامناسب برای زمانی که:** خط لوله گاز خشک را منتقل میکند یا برش آب از نقطه وارونگی امولسیون فراتر میرود.
- حامیان بازدارندههای ترمودینامیکی
- مهندسانی که قابلیت اطمینان مطلق و محافظت در طول توقفهای طولانیمدت را در اولویت قرار میدهند.
- طرفداران مواد شیمیایی با دوز پایین
- اپراتورهایی که بر کاهش وزن تاسیسات روی عرشه، هزینههای سرمایهای و لجستیک مواد شیمیایی تمرکز دارند.
- مهندسان تضمین جریان
- معماران سیستمی که محدودیتهای مادونسردشدگی، برشهای آب و سازگاری سیالات را متوازن میکنند.
دیدگاههایی که این گزارش پوشش نداده
- نهادهای نظارتی محیطزیست
- مدیران لجستیک زنجیره تامین مواد شیمیایی
منابع
[1]Rodancoحامیان بازدارندههای ترمودینامیکیGas Hydrate Formation in Pipelines & Prevention
مطالعه در Rodanco →
[2]MDPIطرفداران مواد شیمیایی با دوز پایینChemical Inhibitors in Gas Hydrate Formation: A Review of Modelling Approaches
مطالعه در MDPI →
[3]MDPIطرفداران مواد شیمیایی با دوز پایینTowards Gas Hydrate-Free Pipelines: A Comprehensive Review of Gas Hydrate Inhibition Techniques
مطالعه در MDPI →
[4]National Energy Technology Laboratoryمهندسان تضمین جریانMETHANE HYDRATE
مطالعه در National Energy Technology Laboratory →
[5]GRID-ArendalStability conditions for gas hydrates
مطالعه در GRID-Arendal →
[6]PetroWiki by SPEمهندسان تضمین جریانHydrate problems in production
مطالعه در PetroWiki by SPE →
[7]تیم سردبیری کوهستانتحلیل تیم سردبیری کوهستان
مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →
بیشتر در انرژی
مشاهده همه →معیارهای انرژی
۶۰۰۰ فوت مکعب گاز طبیعی که معادل یک بشکه نفت (BOE) را تعریف میکند
4 منبع
مکانیک سنگ
معیار شکست مور-کولمب؛ شاخصی تعیینکننده برای درهمشکستن سنگها در عملیات شکست هیدرولیکی
7 منبع
فیزیک هستهای
قله آهن-۵۶ و منحنی انرژی پیوندی که بازده هستهای را تعیین میکنند
6 منبع
فیزیک پیل سوختی
معادله نرنست و غشای تبادل پروتون که ولتاژ و راندمان پیل سوختی را تعیین میکنند
10 منبع
نظرات
هر زاویه. هر روز.
اخبار انرژی با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاهها، هر روز و رایگان.





