Моделирование и анализ данных
2024. Том 14. № 4. С. 78–90
doi:10.17759/mda.2024140405
ISSN: 2219-3758 / 2311-9454 (online)
Математическая модель процесса ингибирования газосборных шлейфов
Аннотация
В работе представлена оригинальная математическая модель определения термобарических параметров промыслового шлейфа, в которой учитывается конвективный теплоперенос, турбулентное ядро, возникающее в полости газосборного шлейфа. В представленной математической модели теплоперенос, теплообмен и турбулентное ядро описывается двумя безразмерными коэффициентами. Также в работе приводится авторское уравнение определение влагосодержания природного газа, которая позволяет точнее проводить расчеты процесса ингибирования метанолом в газосборных шлейфах (промысловых газопроводах). Методика расчета ингибитора, которая рассматривается в работе, может применяться для ликвидации гидратов при их образовании в газосборных шлейфах. В методике учитывается фазовый переход газ-гидрат, режим работы газопровода, расход в шлейфе, давление, температура и концентрация ингибитора. Верификация методики проводилась при помощи промысловых данных, полученных с действующего газового месторождения Краснодарского края.
Общая информация
Ключевые слова: гидраты природного газа, влагосодержание природного газа, клатратное соединение, ингибитор, теплопотери, промысловый газопровод, конвективный теплоперенос
Рубрика издания: Анализ данных
Тип материала: научная статья
DOI: https://doi.org/10.17759/mda.2024140405
Получена: 06.11.2024
Принята в печать:
Для цитаты: Паранук А.А., Терещенко И.А., Шишков В.С. Математическая модель процесса ингибирования газосборных шлейфов // Моделирование и анализ данных. 2024. Том 14. № 4. С. 78–90. DOI: 10.17759/mda.2024140405
Полный текст
Введение
При добыче природного газа, в зимний период возникает проблема образования гидратов в промысловых системах сбора природного газа. Так как, природный газ, поступающий из скважины не обработанный, и содержит различные нежелательные компоненты (вода, жидкие углеводороды, соли жесткости), которые приводят к авариям и аварийным инцидентам в шлейфах газопроводов.
Основным компонентом, который является катализатором образования гидратов природного газа, является избыточное содержание влаги в добываемом природном газе. Вода, которая содержится в добываемом природном газе при определенных термобарических параметрах, кристаллизуются и образует клатратное соединение «гидрат». В целях обеспечения работоспособности газосборного шлейфа, и ликвидации гидратов в полость газопровода подают ингибитор (метанол), согласно утвержденным технологическим картам. Использование данной технологий приводит перерасходу ингибитора, а также к дополнительным материальным затратам на хранение и транспортировку ингибитора. Для материальных затрат и сокращения расходов на процесс ингибирования, необходимо использовать дозированную подачу метанола, что влечет за собой достаточно сложный технологический расчеты, который включает несколько математических моделей. К этим математическим моделям относятся: определение температуры и давления природного газа по всей длине газосборного шлейфа, определение температуры фазового перехода, определение объема влаги, который содержится в природном газе, теплопотери шлейфа за счета процесса теплопередачи в окружающую среду и т.д.
Математическое моделирования и постановка задачи
Для моделирования термобарических параметров газосборного шлейфа воспользуемся оригинальной математической моделью, которая приводится в работах авторов [1-3]
Рис. 1- Участок промыслового газопровода (шлейфа)
Переходим в уравнении (6) к физическим размерным величинами и получается:
Тогда уравнение теплопередачи через стенку шлейфа и теплоизоляцию во внешнюю среду можно записать в виде:
Подставляя уравнение (10) выражение (8), с учетом вида левой части уравнения (9) получим:
Тогда производная по температуре, зависящая от координаты в ядре потока выражается уравнением:
Получим после интегрирования выражение:
После тождественного преобразования уравнение (15) принимает вид:
Поскольку модель для определения термобарических параметров промыслового газопровода построена, предложим уравнение для определения распределения влаги в шлейфе по длине до установки подготовки газа к транспорту [6]:
(17)
Тогда выражение для определения давления в произвольные точки примет вид;
Для определения температуры образования воспользуемся известной моделью из источников [7 - 9]
Уравнение (19) позволяет определить температуру образования гидратов в промысловых трубопроводах, так как общая постановка модели включает фазовый переход и описывается задачей Стефана. Она особенно актуальна при различных режимах эксплуатации газосборного шлейфа.
Для определения температуры фазового перехода воспользуемся следующим уравнением [7-9]
При эксплуатации промысловых газопроводов в метанол подается с концентрацией от 90 до 95% [9].
Для определения расхода метанола в газосборных шлейфах воспользуемся выражением:
Верификация математической модели
Для проверки математической модели будем использовать реальные промысловые данные, полученные с действующего газового месторождения Краснодарского края. Исходные данные по месторождению приведены в таблице 1.
Таблица 1. Исходные данные для верификации математической модели
№ скважины |
Диаметр шлейфа м |
Длина шлейфа км |
Давление Р1, МПа |
Давление Р2, МПа |
Температура Т1, 0С |
Расход природного газа млн.м3/сутки |
Толщина стенки трубы мм |
1 |
200 |
8 |
3,4 |
2,8 |
10 |
0,96 |
6,0 |
2 |
300 |
6 |
4,5 |
3,2 |
9,5 |
0,98 |
8,0 |
3 |
250 |
5 |
3,2 |
2,6 |
11 |
0,83 |
7,0 |
4 |
400 |
3 |
4,5 |
3,6 |
8,5 |
0,89 |
9,9 |
5 |
200 |
3 |
3,2 |
2,9 |
10,5 |
0,82 |
6,0 |
6 |
200 |
2,2 |
3,0 |
2,8 |
9,7 |
0,95 |
6,0 |
7 |
300 |
1,8 |
4,2 |
3,75 |
8,8 |
0,98 |
8,0 |
Продолжение таблицы 1
8 |
400 |
7 |
5,2 |
3,6 |
10,1 |
0,78 |
9,9 |
9 |
200 |
1,8 |
2,2 |
2,1 |
9,4 |
0,87 |
6,0 |
10 |
300 |
1,2 |
4,5 |
3,9 |
10,1 |
0,92 |
8,0 |
11 |
200 |
10 |
3,5 |
2,2 |
9,8 |
0,93 |
6,0 |
12 |
200 |
3 |
3,1 |
2,85 |
9,7 |
0,95 |
6,0 |
13 |
300 |
15 |
4,25 |
3,65 |
9,4 |
0,91 |
8,0 |
14 |
400 |
6 |
3,9 |
3,5 |
8,9 |
0,91 |
9,9 |
15 |
200 |
8 |
4,4 |
3,3 |
10,12 |
0,92 |
6,0 |
16 |
250 |
9 |
3,2 |
2,9 |
8,9 |
0,98 |
7,0 |
17 |
300 |
12,4 |
4,12 |
3,5 |
10 |
0,89 |
8,0 |
18 |
300 |
13,5 |
4,25 |
3,45 |
9,8 |
0,88 |
8,0 |
19 |
200 |
7,6 |
3,1 |
2,8 |
8,9 |
0,85 |
6,0 |
20 |
200 |
15,6 |
3,75 |
3,02 |
9,85 |
0,84 |
6,0 |
Рис.2 – Газосборная сеть Анастасиевско – Троицкое нефтегазоконденсатного месторождения
Таблица 2. Расчетные данные по предложенной математической модели
№ скважины |
Температура Т2,0С |
Макс. влагосодержание природного газа г/моль
|
Скорость газа , кг/с
|
Коэффициенты отражают изменение температуры от ядра к стенке |
Расход природного газа кг/с |
|
|
|
|||||
1 |
8,52 |
2,252 |
778,8 |
0,54639 |
0,00233 |
237,3 |
2 |
8,53 |
2,251 |
528,2 |
0,36803 |
0,00231 |
242,27 |
3 |
9,898 |
2,253 |
537,57 |
0,40643 |
0,00251 |
205,19 |
4 |
8,19 |
2,249 |
359,1 |
0,26304 |
0,002420 |
220,02 |
5 |
9,86 |
2,252 |
665,2 |
0,50497 |
0,002521 |
202,72 |
6 |
9,4 |
2,251 |
770,7 |
0,54353 |
0,002342 |
234,86 |
7 |
8,79 |
2,249 |
528,2 |
0,36803 |
0,002306 |
242,27 |
8 |
8,71 |
2,252 |
314,69 |
0,24625 |
0,002585 |
192,83 |
9 |
9,09 |
2,251 |
705,81 |
0,52014 |
0,002447 |
215,08 |
10 |
8,26 |
2,252 |
495,88 |
0,35659 |
0,002380 |
227,44 |
11 |
8,0 |
2,251 |
754,48 |
0,53778 |
0,002367 |
229,91 |
12 |
9,21 |
2,251 |
770,71 |
0,54353 |
0,002342 |
234,86 |
13 |
7,1 |
2,251 |
490,49 |
0,35464 |
0,002393 |
224,97 |
14 |
7,97 |
2,249 |
367,14 |
0,26598 |
0,002393 |
224,97 |
15 |
8,6 |
2,251 |
746,37 |
0,53488 |
0,002380 |
227,44 |
16 |
7,36 |
2,249 |
582,9 |
0,42323 |
0,002406 |
222,5 |
17 |
7,89 |
2,251 |
479,71 |
0,35072 |
0,002420 |
220,02 |
18 |
7,56 |
2,251 |
474,32 |
0,34875 |
0,002433 |
217,55 |
19 |
7,45 |
2,249 |
689,58 |
0,51413 |
0,002476 |
210,13 |
20 |
7,18 |
2,25 |
681,47 |
0,51110 |
0,002491 |
207,66 |
Выводы
На основании анализа данных таблицы 1 установлено, что в исследуемых промысловых шлейфах при температуре окружающей среды (-50С) и принятых расчетных параметрах, образование гидратов в шлейфах не происходит, то есть промысловые газосборные шлейфы не подвергаются облитерации из-за достаточно высокой температуры природного газа, которая поступает из скважины. Также в работе не применяются расчеты по формулам (17-21) так как их используют только при образовании и ликвидации гидратов. Данные формулы приводятся в статье для предоставления единой методики расчета при различных режимах работы промысловых шлейфов. Также в предложенной математической модели определения термобарических параметров применяются безразмерные коэффициенты, которые отражают изменение температуры от ядра к стенке и конвективный теплоперенос.
Литература
- Бунякин А. В., Паранук А. А., Мамий С. А., Кешоков М. В. Моделирование тепловых характеристик промысловых шлейфов и проверка условия образования гидратов природного газа /, , , // Технологии нефти и газа. – 2019. – № 5(124). – С. 47-52. – DOI 10.32935/1815-2600-2019-124-5-47-52.
- Быков И. Ю. , Паранук А.А., Бунякин А.В. Математическое моделирование температурных условий гидратообразования в промысловых газосборных коллекторах Западно-Песцовой площади Уренгойского НГКМ // Инженерно-физический журнал. – 2022. – Т. 95, № 1. – С. 225-231.
- Паранук А.А. Косвенный контроль газосборной сети // Нефтегазовое дело. 2012. Т. 10. № 1. С. 36 –
- Юдаев Б.Н. Теплопередача: учебник для вузов. – 2- е.изд., перераб. и доп. –М.: Высш.школа,1981. 319 с.
- Паточкина О. Л., Казаринов Ю. Г., Ткаченко В. И. Физическая модель зависимости числа Нуссельта от числа Рэлея // Журнал технической физики. – 2016. – Т. 86, № 11. – С. 23-29.
- Паранук А.А. Дунаев В.И. Приходько М.Г. Об одной методике определения влагосодержания природного газа в трубопроводных системах //Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. Том 10. № 3 (39) – С. 60-72.
- Буц, В. В. Модель образования гидратов в трубопроводах в присутствии ингибитора // Территория Нефтегаз. – 2010. – № 6. – С. 20-25.
- Воеводин А.Ф. Газотермодинамический расчет потоков в простых и сложных трубопроводах // Известия СО АН СССР. Сер. Техн. науки. 1969. Вып. 2. №8. С. 45-55.
- Бондарев Э.А., Васильев В.И., Воеводин А.Ф., Павлов Н.Н., Шадрина А.П. Термодинамика систем добычи и транспорта газа// М.; Наука, 1988. 270 с.
- Буц В. В. Математическое моделирование процесса ингибирования образования гидратов в газопроводах с оптимизацией расхода ингибитора: специальность 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук – г.Саратов, 2012. – 153 с.
Информация об авторах
Метрики
Просмотров
Всего: 6
В прошлом месяце: 0
В текущем месяце: 6
Скачиваний
Всего: 0
В прошлом месяце: 0
В текущем месяце: 0