Подготовка попутного нефтяного газа к сжиганию в условиях автономного энергообеспечения нефтепромыслов

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК), в первую очередь ТЭК Сибири, — важнейший элемент экономики страны, и значимая часть мировой системы энергообеспечения. В этом аспекте Сибирь — ключевой регион России, обладающий огромными энергетическими ресурсами. Добыча нефти и попутного газа на современном этапе экономического развития является наиболее конкурентоспособной отраслью. По данным Министерства промышленности и энергетики, Россия располагает 13% мировых запасов нефти, а ее добыча составляет 15,6% мировой [1]. Сейчас в России нефть добывается более чем на тысяче месторождений, причем ¾ разрабатываемых нефтяных месторождений находится в Западной Сибири. В целом по России, по оценкам специалистов, в настоящее время разведано только 33% потенциальных запасов [1]. На данный момент запасы нефти, переданные в недропользование и находящиеся в разработке у российских нефтяных компаний, составляют 12 миллиардов тоннналичие таких запасов позволяет России добывать около 300 миллионов тонн ежегодно [2].

В XXI столетии человечество больше, чем когда-либо прежде, обеспокоено тем, каким образом и на каком техническом уровне решаются проблемы энергетики. В частности, насколько эффективно используются природные ресурсы в интересах нынешнего и будущих поколений. Энергетика объективно заняла центральное место в обеспечении устойчивого развития общества. Естественно, что Россия с ее огромным природным потенциалом и ключевыми позициями отраслей недропользования в процессе экономического развития страны не может не только оставаться в стороне от этих общемировых тенденций, но и быть не в русле главного фарватера их динамики.

Являясь национальным достоянием, нефть и газ всегда рассматривались как основа энергетической безопасности России. Однако функции этих и других энергоносителей в условиях глобализации мировой экономики и дефицита энергоресурсов становятся гораздо разнообразней.

Особо следует обратить внимание на попутный нефтяной газ (ПНГ), использование которого для многих нефтедобывающих предприятий является «убыточным мероприятием». ПНГ как составная часть единой пластовой смеси углеводородов, выделяющаяся из нее при снижении давления, является многокомпонентным стратегически важным нефтехимическим и энергетическим ресурсом и представляет собой невосполнимый природный ресурс.

В связи с падением добычи нефти и нехваткой природного газа для внутреннего потребления проблема повышения эффективности использования ПНГ России наряду с экономической и социальной значимостью приобретает еще и стратегическое значение.

В настоящее время на многих нефтяных месторождениях, введенных в последние 5−7 лет, ПНГ в промышленных целях практически не используетсянедропользователи в целом не соблюдают условия лицензирования соглашений в части утилизации попутного нефтяного газа. Выполнение федеральной программы «Топливо и энергия» на 1996;2000 г. г. в части использования ПНГ было сорвано, в определенной мере из-за отсутствия централизованных источников финансирования [1—3].

В результате низкой цены на нефтяной газ, поставляемый на газоперерабатывающие заводы, нефтедобывающие предприятия не заинтересованы в увеличении его поставок на переработку. Поэтому они либо изыскивают другие варианты его использования, с меньшим потребительским эффектом, либо сжигают в факелах, нанося вред окружающей среде. В итоге некоторые нефтяные компании практически заморозили строительство объектов сбора и утилизации ПНГ по экономическим причинам. Газоперерабатывающие заводы загружены в среднем на 40% и имеют средний износ 65% или находятся на грани остановки [4].

Обеспечение наиболее полного и рационального использования ресурсов ПНГ имеет важное значение для повышения эффективности нефтяной промышленности и народного хозяйства в целом. Соотношение между добычей ПНГ и его рабочими ресурсами характеризуется показателем, называемым коэффициентом (уровнем) использования ресурсов газа. Повысить этот коэффициент можно как за счет подготовки, переработки, транспорта данного вида углеводородного сырья, так и за счет непосредственного использования газа вблизи и на месте добычи.

ПНГ в общем случае и без учета территориальных особенностей представляет собой смесь большого числа элементов и химических соединений. Основными компонентами ПНГ обычно являются метан, этан, пропан, бутаны, пентаны и тяжелые углеводороды. Содержание указанных компонентов в газе различных месторождений неодинаково и может меняться от месторождения к месторождению в широком интервале. Во многих случаях даже в пределах одного месторождения состав газа не остается постоянным.

Наиболее остро стоит вопрос об эффективности работы энергетических установок, использующих ПНГ как топливо. Снижение затрат на подготовку ПНГ для сжигания в энергетических установках является одной из проблем, решение которых позволит повысить его эффективное использование непосредственно в местах добычи нефти и обеспечить энергетическую независимость предприятий.

В целом подготовка газа — это технологические процессы, осуществляемые с целью приведения качества газа в соответствие с требованиями, при соблюдении которых обеспечивается бесперебойная транспортировка его по газопроводам, а также эффективное и безопасное использование потребителями. Поэтому комплекс работ по подготовке газа, как правило, связан с процессами удаления из смеси «тяжелых» углеводородов (с числом С более 3), которые при сравнительно низких давлениях и температурах преобразуются в жидкость. Это препятствует транспортировке ПНГ по газопроводам и использованию его как топлива для внутренних нужд. Наличие в газе влаги, жидких углеводородов, агрессивных примесей обуславливает применение различных методов очистки. Условно их подразделяют на компрессионный, очистку газа жидкими поглотителями (абсорбционные способы), низкотемпературную конденсацию и очистку твердыми поглотителями (адсорбционные способы).

Определение необходимости подготовки газа, выбор того или иного метода подготовки, соответствующих технических средств и реагентов осуществляются в зависимости от количества и физико-химической характеристики газа, территориального размещения объектов подготовки и потребления газа, относительного места добычи, специфики потребителей и других факторов, но обязательно с учетом достижения наилучших технико-экономических показателей.

Таким образом, в соответствии с существующей технологией для обеспечения использования ПНГ в народном хозяйстве необходимо решать следующие задачи:

— собирать газ всех степеней сепарации с крупных и мелких месторождений, чаще всего рассредоточенных по значительной территории;

— построить газоперерабатывающие заводы или установки для извлечения из газа влаги, неуглеводородных примесей и тяжелых углеводородов с целью обеспечения возможности его транспорта по газопроводам и получения сырья для нефтехимии и других отраслей народного хозяйства;

— построить трубопроводы, компрессорные и насосные станции для транспорта газа и продуктов его подготовки или переработки потребителям, расположенным нередко на расстоянии сотен и тысяч километров;

— подготовить потребителей к приему газа и продуктов его переработки (подготовки).

— использовать в качестве топлива на энергетических установках (ЭУ) местными потребителями.

Каждая из указанных задач охватывает целый комплекс технических и технологических вопросов, успешное решение которых зависит прежде всего от инвестиционной обеспеченности. В условиях недофинансирования недропользования выход видится в поэтапном продвижении, причем на первом этапе следует обеспечить использование ПНГ для местного энергопотребления. Кроме того, надо учитывать, что для небольших по запасам нефтяных месторождений, расположенных вдали от магистральных газопроводов, вопрос подготовки ПНГ для его транспортировки является экономически неэффективным мероприятием. Для таких месторождений коэффициент использования газа не превышает 20−30% [4—5].

Однако в области использования ПНГ определенные перспективы есть и связаны они с новыми направлениями в технике и технологии использования газа в результате создания и внедрения передвижных электрических и других энергетических установок, потребляющих газ. Для устойчивой бесперебойной работы этих установок важен состав газа. В частности, содержание в ПНГ углеводородов пентанового и выше ряда приводит к росту числа ремонтных работ за счет их конденсации на поверхностях нагрева с последующей битуминизацией [4].

Дешевые и технологически несложные процессы подготовки ПНГ к сжиганию в ЭУ, как следует из вышеизложенного, являются перспективным направлением теплотехники, поскольку позволяют решать актуальные проблемы энергосбережения и охраны окружающей среды. Вместе с тем используемые в Сибири установки на ПНГ, в особенности промышленного и отопительного назначения, в значительной массе характеризуются как экологическим несовершенством процесса сжигания, так и неэкономичным использованием топлива [5−9].

Целью диссертационного исследования является разработка методов и эффективных технических решений по подготовке ПНГ к сжиганию в ЭУ малой мощности для энергообеспечения инфраструктуры нефтепромыслов.

Исходя из указанной цели определены главные задачи исследований: 1) изучить специфику физико-химических и теплотехнических свойств.

ПНГ применительно к наиболее представительным нефтяным месторождениям Томской области;

2) обосновать методы подготовки к сжиганию, совместимые с условиями эксплуатации ЭУ вблизи или непосредственно на территории нефтегазодобычи;

3) разработать устройства, реализующие подготовку ПНГ к сжиганию с учетом специфики газа как топлива;

4) оценить эффективность использования разработанных устройств в условиях эксплуатируемого нефтяного месторождения.

Научная новизна работы заключается в следующем: получены физико-химические и теплотехнические характеристики ПНГ Соболиного, Первомайского и Лугинецкого нефтяных месторождений Томской области в ходе их промышленной разработкивпервые получены экспериментальные данные по оценке эффективности адсорбционной очистки при испытании предложенного устройства, подготавливающего ПНГ к сжиганию, с учетом специфики газа как топлива непосредственно на месте добычиопределены изолинии адсорбции для компонентов ПНГ, зависимости для максимального значения числа регенераций цеолита и перепада давления на адсорбционном устройстве за счет фильтрациина уровне изобретения разработан способ очистки ПНГ от тяжелых углеводородов при использовании низких температур;

Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что: полученные результаты исследований состава и свойств ПНГ Лугинецкого, Первомайского и Соболиного нефтяных месторождений пригодны для использования в расчетах технологических параметров устройств адсорбционной очистки в системах топливоподачирезультаты эксперимента по использованию адсорбционного устройства с цеолитовым фильтром в процессе подготовки ПНГ к сжиганию позволяют поддерживать нормальный режим горения при эксплуатации ЭУпредложенные запатентованные варианты газовых горелок в сочетании с адсорбционным устройством позволяют подобрать оптимальную конструктивную схему для подготовки ПНГотдельные рекомендации, технические решения и адсорбционные эффекты подтверждены в натурных условиях на существующей ЭУ, эксплуатируемой на территории Соболиного нефтяного месторождения Томской областирезультаты выполненных исследований используются ООО «Южно-Охтеурское» (г. Стрежевой) в проектных работах по энергообеспечению нефтепромыслового производства на Южно-Охтеурском месторождении Томской областиматериалы выполненных исследований включены в лекционный курс для магистрантов по направлению «Теплоэнергетика» в Томском политехническом университете.

Диссертация включает введение, четыре раздела, заключение и приложения.

4.6 Основные выводы.

1. Оценка экологических характеристик как показателей качества газообразного угледоводородного топлива не исчерпывается его компонентным составом, она определяется характером и значимостью экологических последствий использования газа в ЭУ, применяемой технологией его подготовки, сжигания, хранения и утилизации отходов, рассеивания выбросов для конкретной технологии производства в конкретных экологических условиях.

2. На разных стадиях работ в нефтегазовом комплексе, связанных с обслуживанием технологических установок в рабочем состоянии, в атмосферу поступают выбросы вредных веществ, загрязняющих атмосферу и влияющих на образование парникового эффекта. Для сокращения выбросов в атмосферу предложены адсорбционные устройства на основе цеолитового фильтра, защищенные патентами РФ.

3. Расчетное снижение выбросов от реализации проекта на период 2009;2012 гг. по сравнению с исходной прогнозируемой ситуацией на тот же период составит 131 481 тонн СО2-ЭКВ. Кроме этого реализация проекта позволит выполнить требование лицензионного соглашения по повышению степени утилизации ПНГ, недостижимое в существующих условиях. Экономический эффект, связанный с установкой адсорбционного устройства, за счет снижения затрат на ТО, увеличения межремонтного периода составит 2507 тыс. руб/год. Стоимость фильтров-адсорберов с их установкой составляет около 40 тыс. руб, что позволяет окупать их внедрение за шесть месяцев.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая работа по своему содержанию охватывает вопросы, связанные с возможным повышением процента утилизации ПНГ непосредственно на месте добычи за счет сжигания его в энергоустановках различной мощности. Энергетическое использование ПНГ может оказаться экономически эффективным в достаточно широком диапазоне объемов и состава. Применение в энергетике позволяет не только улучшить экологическую ситуацию, но и решить проблему электрои теплоэнергоснабжения промыслового хозяйства нефтяных компаний. Прогнозируемые тенденции на российском и мировом рынках дают возможность предположить возрастание тарифов на электроэнергию и увеличение налогов за нормативные и особенно сверхнормативные выбросы загрязняющих веществ, за недоиспользование недр.

Основные преимущества энергетического использования ПНГ на промыслах — это выполнение условий лицензионных соглашений по его утилизации, значительное снижение затрат на энергоснабжение, высокая экономическая эффективность и короткие сроки окупаемости, отсутствие значительных инвестиций по строительству ЛЭП и инженерных сетей для постоянного энергоснабжения новых месторождений. Также в число преимуществ входят отсутствие потерь от передачи энергии за счет ее выработки на месте, высокое качество электроэнергии, производимой ГПЭС, снижение воздействия факторов, влияющих на возникновение парникового эффекта (выработка энергии с пониженными выбросами вредных веществ в атмосферу).

ПНГ — углеводородный газ, сопутствующий нефти и выделяющийся из неё при сепарации. Количество газов, приходящихся на 1 т добытой нефти, зависит от условий формирования и залегания нефтяных месторождений и может изменяться от 10 до нескольких тысяч м3/т нефти. В отличие от газов природных горючих, состоящих в основном из метана, ПНГ содержат значительные количества этана, пропана, бутана и других предельных углеводородов. Кроме того, присутствуют пары воды, а иногда и азот, углекислый газ, сероводород и редкие газы гелий, аргон. Использование ПНГ в качестве топлива без предварительной подготовки зачастую приводит к аварийным остановкам энергоустановки. Это связано с конденсацией на поверхностях нагрева с последующей битуминизацией углеводородов пентанового и выше ряда, образованием кристаллогидратов при подаче газа, коррозирующим воздействием сероводорода и двуокиси углерода, неустойчивым режимом горения.

С помощью существующих методик произведен анализ компонентного состава ПНГ Первомайского, Лугинецкого и Соболиного нефтяных месторождений методами газоадсорбционной и газожидкостной хроматографии в соответствии с ГОСТ 13 379–82 и ГОСТ 23 781–87. На основании этих данных для бесперебойной работы ЭУ предложено использовать адсорбционное устройство с цеолитовым фильтром. Для достижения максимального эффекта в качестве цеолита предложен природный шабазит.

Расчет адсорбционного устройства произведен согласно методике, которая предназначена для расчета габаритных размеров адсорбционного устройства в зависимости от линейной скорости, времени контакта газа и адсорбента, состава, давления и температуры газа, производительности ЭУ, вида цеолита, размера зерен и плотности наполнения.

Из специфики ПНГ, связанной со сложным химическим составом, который меняется во времени в зависимости от температуры окружающей среды, достоверными могут служить лишь данные, полученные непосредственно в ходе эксперимента в натурных условиях.

В качестве экспериментальной установке выбрана когенерационная электрогенераторная установка фирмы CATERPILLAR с расходом газа 247 м3/ч и мощностью 1280 кВт, эксплуатируемая на территории Соболиного месторождения Томской области. За 2016 часов работы двух адсорбционных устройств с цеолитовым фильтром на основной и байпасной линиях подачи газа к ЭУ аварийных остановок в работе не зафиксировано.

По результатам испытаний получена зависимость перепада давления от времени работы фильтрующего элемента, которая позволяет спрогнозировать поведение адсорбирующей части фильтра для заданных условий. Также построена математическая модель процесса адсорбции и составлена компьютерная программа ads. exe, позволяющая производить подбор габаритов адсорбционного устройства исходя из физико-химических параметров ПНГ.

Результаты диссертационной работы позволяют сделать следующие выводы.

1. При изучении физико-химических и теплотехнических свойств ПНГ некоторых нефтяных месторождений Томской области получены уточненные данные, позволяющие судить о повышенном содержании пропан-бутановой фракции (до 35%), тяжелых углеводородов и практически полном отсутствии сернистых соединений, что в совокупности делает его высококондиционным топливным сырьем. Сформулированы основные требования, предъявляемые к ПНГ в качестве топлива, для поддержания бесперебойной работы энергоустановки.

2. Для повышения коэффициента утилизации ПНГ с учетом его компонентного состава предложены и применены эффективные и малогабаритные устройства для подготовки газа к сжиганию в энергоустановке методом адсорбционной очистки цеолитовыми фильтрами.

3. Примененное устройство позволило устранить в составе ПНГ влагу, примеси, сократить количество пропан-бутановых и более тяжелых углеводородных соединений, что позволило ЭУ без аварийных остановок проработать более 2000 часов в условиях межсезонья и при требуемых нагрузках.

4. Полученные зависимости перепада давления от времени работы фильтрующего элемента позволяют спрогнозировать ситуацию поведения цеолита в заданных условиях, а именно: время насыщения цеолита без регенерации до достижения максимального перепада давления, а также максимальное количество регенераций для поддержания оптимального значения перепада давления до и после адсорбционного устройства.

5. Определены изолинии адсорбции, позволяющие вести расчет поглощения отдельных составляющих ПНГ в заданных условиях.

6. Разработаны рекомендации и варианты решений по использованию адсорбционных устройств на основе цеолитового фильтра для различных конструкций горелочных устройств, защищенные патентами Российской Федерации, а также устройство для осушки отработавшего цеолита, предложено решение по утилизации выделившейся в результате регенерации адсорбента смеси жидких углеводородов.

7. Расчетная эколого-экономическая оценка подтвердила целесообразность внедрения адсорбционного устройства в качестве элемента предгорелочной подготовки нефтяного газа.