Гидраты — это кристаллические структуры, состоящие из молекул воды, которые заполняются небольшими молекулами газа. Гидраты образуются только при наличии в системе свободной воды. В нефтегазовых системах они образуются при смешивании легких углеводородов (или углекислого газа) с водой при определенной температуре и давлении.
Основу гидратов составляет очень открытая, похожая на клетку структура молекул воды. Эта структура, чем-то напоминающая стальную клетку, которая теоретически может образовываться из льда, жидкой воды и водяного пара. Однако на практике гидраты образуются только в присутствии свободной жидкой воды. Кристаллический каркас очень хрупкий и быстро разрушается, если его не поддерживают молекулы, заполняющие пустоты в его структуре.
Метан, этан, CO₂ и H₂S — наиболее подходящие молекулы для заполнения данных пустот. Пропан и изобутан могут заполнить только более крупные пустоты. Обычный бутан и более тяжелые углеводороды слишком крупные и будут препятствовать образованию гидратов.
Гидраты формируются по тем же принципам, что и обычные кристаллы. При взаимодействии газа, воды и высокого давления может произойти «недоохлаждение» смеси, и гидраты не образуются. Однако даже незначительное движение в недоохлажденной смеси или наличие нескольких центров кристаллизации могут вызвать масштабную реакцию. Для формирования гидратов не обязательно менять давление. Тем не менее, охлаждающий эффект от небольшого изменения давления, например, из-за износа сальника или негерметичного соединения, может создать условия, благоприятные для образования гидратов.После начала кристаллизации гидраты могут полностью перекрыть трубопровод за считанные секунды.
Образование гидратов зависит от состава пластового флюида, состава воды, температуры и давления. В большинстве случаев состав пластового флюида изменить нельзя. На месторождениях предотвратить гидратообразование можно путем химического ингибирования, изменяя состав воды. Для этого в жидкость добавляют метанол или этиленгликоль, а для разрушения образовавшихся гидратов используется метанол или высокая температура (обогрев).
Отрицательная температура будет увеличивать риск образования гидратов, однако при соблюдении определенных условий температуры и давления гидраты образуются самопроизвольно, например, при высоком давлении (от 20 МПа) гидраты могут образовываться при относительно высоких температурах (при 25 °C).
В процессе эксплуатации скважин гидраты представляют серьезную угрозу, так как могут перекрыть насосно-компрессорные трубы. Особую опасность представляет верхняя часть скважины, где температура обычно самая низкая. Если гидратная пробка образуется в колонне насосно-компрессорных труб, это может привести к невозможности спуска и подъема различных инструментов при помощи канатной техники или колтюбинга, затруднить или полностью остановить возможность производить циркуляцию в скважине, а также не позволит закачать в скважину жидкость для удаления гидратов. Более того, гидраты могут нарушить работу оборудования, например скважинного предохранительного клапана, который предотвращает выход пластового флюида на поверхность при негерметичности устьевого оборудования. Кроме эксплуатационных скважин под удар гидратообразования могут попасть скважины на этапе строительства при управлении скважиной во время ГНВП (объемный метод, метод нагнетания и стравливания), в данном случае может произойти загидрачиванию всех линий отвечающих за управление скважиной (дроссельный манифольд). Таким образом, гидратная пробка в скважине создает серьезную опасность, которой необходимо избегать.
Помимо вышеописанного, существуют газовые гидраты в виде промышленных запасов, которые являются альтернативным топливом будущего (игроки StarCraft уже добывали этот минерал в далеком прошлом).
В 2017 году Китай в мае 2017 года в Южно-Китайском море, успешно провел первую в мире попытку промышленной добычи газогидратов в море (так называемого «горючего льда»). Это событие ознаменовало начало новой эры в освоении альтернативных источников энергии.
- Глубина моря: 1266 метров
- Глубина залегания: 200 метров ниже уровня морского дна
- Тип месторождения: газогидраты с содержанием метана до 99,5%
- Метод добычи: извлечение насыщенного пластом флюида
За период испытаний было добыто более 120 тысяч кубических метров газа. Успех операции был настолько значительным, что китайские специалисты назвали его историческим прорывом в области добычи углеводородов.
Но несмотря на успех эксперимента, эксперты отмечают, что до промышленного освоения технологии добычи газогидратов еще далеко. Основные препятствия связаны с высокой стоимостью процесса и необходимостью дальнейшей оптимизации технологий. Однако сам факт успешного эксперимента открывает новые перспективы для мировой энергетики и может стать началом новой технологической революции в отрасли добычи углеводородов.