Notz [4] đưa ra một trường hợp nghiên cứu sự tạo thành hydrat, được đưa ra ở đồ thị áp suất – nhiệt độ ở Hình 2.1. Phía bên phải khu vực màu trắng ở nhiệt độ cao, hydrat không tạo thành và hệ thống sẽ tồn tại trong dung dịch (hydrocacbon và nước). Tuy nhiên, hydrat sẽ hình thành trong khu vực màu xám phía bên trái, do đó các phương pháp ngăn chặn được tiến hành.
Hình 2.1. Áp suất và nhiệt độ tạo thành hydrat như là một hàm của độ nồng độ metanol trong nước tự do cho một hỗn hợp khí cho trước [1]
Trong Hình 2.1 trạng thái tĩnh của dung dịch trong ống dẫn được chỉ ra ở các khoảng cách (7 tới 50 dặm trên đường cong) kéo dài theo đường cong đen. Tại 7 dặm từ đầu giếng dưới biển, tình trạng ổn định, dòng chảy giữ được một lượng nhiệt từ vỉa, do đó ngăn chặn sự tạo thành hydrat. Biển làm lạnh dòng chảy từ khoảng cách 9 dặm một lượng dòng khí và nước đồng hành vào khu vực hydrat phía bên trái của khu đường cong hình thành hydrat, giữ trong khu vực xám này tới tận dặm thứ 45. Tại dặm thứ 30, nhiệt độ của hệ thống ống dẫn ở khoảng vài độ, cao hơn nhiệt độ đáy biển (~390F), do vậy khoảng gần 23% thể tích metanol cần trong nước tự do để ngăn chặn sự tạo thành hydrat và tắc nghẽn. Dòng hơi metanol dọc theo đường ống từ điểm bơm vào tại đầu giếng (Hình 2.1), metanol tan vào nước trong dòng chảy hay được ngưng tụ bởi khí.
Nhiệt độ, 0F Áp su ấ t ,psia Không có hydrat Có hydrat
Sự tạo thành hydrat và tích tụ xảy ra trong nước tự do, thông thường chỉ có phần hạ lưu của nước tích tụ, nơi xảy ra sự thay đổi trong hình thái của dòng (ví dụ: khúc cong hay đoạn ống bị lõm kéo dài dọc theo đáy biển). Sự tạo thành hydrat xảy ra ở mặt phân cách của dung dịch lỏng và thường bao chứa nồng độ metanol cao nhất.
Nút hydrat xảy ra trong quá trình chuyển tiếp và vận hành không bình thường như lúc khởi động, hoặc khởi động lại dòng trong trường hợp khẩn cấp, đóng giếng, hay khi nước tự do xuất hiện do quá trình loại nước hay bơm ép không thành công, hay quá trình làm lạnh xảy ra ngang qua một van hay khu vực hẹp. Sự tạo thành các nút hydrat không xảy ra rtong quá trình vận hành ống dẫn bình thường dựa trên những thiết kế hệ thống dành cho bảo đảm dòng (trừ những trường hợp bất ngờ, không lường trước). Đặc biệt, với những hệ thống có thành phần dầu chủ đạo với một lượng công suất nhiệt lớn hơn hệ thống khí để giữ nhiệt độ vỉa, ít có xu hướng tạo nút hydrat. Rất nhiều đường ống vận chuyển dầu được cách ly bởi thiết kế để đảm bảo nhiệt độ đủ cao trong dòng chảy trước khi lên tới giàn khoan. Trái lại các hệ thống có thành phần khí chủ đạo giảm nhiệt độ nhanh hơn nhiều so với hệ dầu chủ đạo, yêu cầu bơm ép chất ức chế để ngăn cản sự tạo thành hydrat.
Để chỉ ra những vị trí hydrat có thể hình thành trong quá trình, có thể xem mô tả đơn giản của hệ thống khai thác ngoài khơi trên Hình 2.2. Trên Hình 2.2 dòng hydrocacbon từ vỉa lên tới giếng và xuyên qua “cây thông khai thác” (X-mas tree) hoặc đầu giếng (bao gồm nhiều van khác nhau), đặc biệt thông qua điểm phân phối đường ống, độ dài có thể ước tính từ 30-100 dặm trước khi lên tới giàn khai thác. Nhiệm vụ chính của giàn khai thác bao gồm: (1) phân tách dầu, khí , và nước trước khi loại nước; (2) nén khí; (3) bơm dầu về bờ; và (4) loại bỏ (làm khô) nước từ khí trước khi đưa khí vào ống dẫn, có thể đưa về bờ.
Hình 2.2. Các điểm nút hydrat tạo thành trong hệ thống khai thác ngoài khơi [1]
Chỗ phình do giãn khí Van an toàn Ố n g x u ấ t Ống đứng Ống dẫn (2-60 dặm) Độ sâu 6000 ft Mặt biển Tắc Tắc trong giếng, van Tắc ống đứng Tá c h N én Làm khô Sàn khai thác
Trong hệ thống phía trên, khai thác được dầu có mật độ năng lượng cao là tốt nhất (năng lượng lớn hơn trên một đơn vị thể tích); tuy nhiên không tránh khỏi việc khai thác khí và nước, cung cấp các thành phần cần thiết cho sự tạo nút hydrat. Van an toàn trong lòng giếng (SCSSV) (Hình 2.2) được đặt ở một độ sâu nhất định so với mặt đất, do vậy nhiệt của lòng đất giữ đủ nhiệt độ cần thiết trên điều kiện ổn định của hydrat tại áp suất và nhiệt độ đóng giếng, do đó ngăn chặn được sự tạo thành hydrat. Tuy nhiên, như đã nêu trên Hình 2.1, dung dịch trong ống dẫn nhanh chóng được làm lạnh tới nhiệt độ của đáy biển, thường nằm trong vùng hydrat ổn định. Hydrat sẽ không hình thành trong ống xuất dầu do không có mặt của nước, tuy nhiên nó có thể hình thành trong trường hợp sự loại nước thất bại.
Chất ức chế được bơm vào đầu giếng để ngăn chặn sự tạo thành hydrat tại bất cứ điểm nào trên SCSSV trên Hình 2.2. Những điểm chính tích tụ hydrat bao gồm (1) khu vực tích tụ nước ở hạ lưu ống dẫn, như các điểm trũng trên đường ống hay tại ống đưa dầu lên giàn khai thác; (2) khi nước được tích tụ ở trong ống hay giếng trong quá trình đóng giếng và sự giảm nhiệt độ kèm theo; (3) đi qua khu vực hẹp (ví dụ van tiết lưu trên cây thông khai thác hay tại ống loại khí); hay (4) trong đường ống xuất trong trường hợp loại nước thất bại. Hydrat cũng có thể tạo thành trong hệ thống bùn khoan và các khu vực khác trong hệ thống khai thác miễn là các thành phần cần thiết cho việc tạo hydrat (nước, khí) tồn tại và ở nhiệt độ và áp suất phù hợp.
Khi dòng chảy bị đóng, hydrat tạo thành một lớp màng mỏng trên pha lỏng ổn định. Dựa trên sự khởi động lại dòng, dung dịch được tạo ra có thể phân tán nước trong ống dẫn, khi các giọt nước được khí bão hòa và ngay lập tức tạo thành một lớp màng hydrat bên ngoài chúng. Sự tập trung của những giọt nước mang vỏ hydrat ở một mức độ nhất định sẽ tạo nút hydrat. Sự tạo thành hydrat xảy ra từ những lớp màng hydrat mỏng ban đầu bao ngoài các giọt nước và tích tụ lại thành lượng lớn tạo thành nút.
Để xác định cụ thể khu vực hydrat có thể hình thành cần phải biết được thành phần khí, hàm lượng muối của nước và thành phần trong pha khí trước và sau sự hình thành hydrat, điều kiện áp suất và nhiệt độ cân bằng của hệ hydrat và sự thay đổi của áp suất và nhiệt độ. Trong quá trình hạ nhiệt độ dưới mức cân bằng, hydrat sẽ hình thành và bắt đầu tích tụ. Trong một hệ ống dẫn khí rất nhiều nút hydrat có thể tạo thành theo những chuỗi. Sự tập trung của hydrat có thể được xác định bởi nhiều yếu tố, quan trọng nhất là trạng thái của nước, độ hạ nhiệt và độ xoáy của
dòng chảy, tốc độ của sự tạo thành bề mặt phân cách nước-khí, cường độ của chất tạo hydrat và nhiều yếu tố khác.