image
energas.ru

Газовая промышленность № 03 2018

Переработка газа и газового конденсата

01.03.2018 11:00 Технология утилизации попутного нефтяного газа с использованием отводящих факельных газов
Попутный нефтяной газ – стратегически важный сырьевой ресурс промышленной нефтехимии, во многом определяющий экономический и промышленный потенциал страны. На сегодняшний день в сложных горно-геологических условиях малых и средних труднодоступных нефтегазовых месторождений с неразвитой инфраструктурой утилизация попутного газа становится все более актуальной задачей, особенно при разработке шельфовых месторождений. Полезное использование попутного газа – это не только экономическая, но и экологическая проблема, связанная со снижением негативного влияния нефтегазового комплекса на состояние окружающей среды. Организация сбора газа из крупных нефтегазовых и газоконденсатных месторождений по традиционным схемам разработки и освоения является дорогостоящей и требует значительного времени для реализации. К тому же эти технологии фактически не применимы к территориально разобщенным малым и средним месторождениям, включая морские месторождения-сателлиты. В статье представлена новая технология утилизации попутного нефтяного газа для использования на средних и удаленных месторождениях, для месторождений с неразвитой инфраструктурой, а также для морских нефтегазовых месторождений с использованием отводящих факельных газов. Предлагаемая технология позволяет снизить капитальные затраты на разработку и освоение месторождения, обеспечивая при этом высокую эффективность, быструю встраиваемость в существующую технологическую схему без внесения в нее дополнительных значительных изменений и минимальное вредное воздействие на окружающую среду. В статье также описаны недостатки существующих технологий утилизации газа, к которым можно отнести большие габариты и вес применяемых установок, что неприемлемо в условиях морской платформы, имеющей ограничения по допустимой весовой нагрузке и габаритам размещаемого оборудования.
Ключевые слова: ПОПУТНЫЙ НЕФТЯНОЙ ГАЗ, ФАКЕЛЬНЫЙ ГАЗ, УТИЛИЗАЦИЯ, СЕПАРАТОР, СЖИГАНИЕ, ШЕЛЬФОВОЕ НЕФТЕГАЗОВОЕ МЕСТОРОЖДЕНИЕ.
Открыть PDF


Попутный нефтяной газ (ПНГ) – стратегически важный сырьевой ресурс промышленной нефтехимии, во многом определяющий экономический и промышленный потенциал страны. Однако его полезное использование – это не только экономическая, но и экологическая проблема, связанная со снижением негативного влияния нефтегазового комплекса на состояние окружающей среды.

На сегодняшний день проблема утилизации ПНГ состоит в том, что потери ПНГ формируются за счет малых и средних труднодоступных месторождений, доля которых продолжает стремительно увеличиваться. Организация сбора газа с таких месторождений по схемам, предполагающим строительство крупных газоперерабатывающих мощностей, требует дополнительных капитальных затрат, увеличивает период монтажа, не позволяет утилизировать нефтяные газы концевых ступеней сепарирования и фактически не применима к территориально разобщенным малым и средним месторождениям, включая морские месторождения-сателлиты.

1.png

В большинстве случаев типовая схема сбора нефти и газа на труднодоступных месторождениях (или месторождениях с дефицитом инфраструктуры) предполагает наличие первичной подготовки продукта до состояния, при котором возможно его транспортирование с минимальными потерями и затратами. Первичная подготовка включает сброс пластовой воды и отделение попутного неф-тяного газа. Для осуществления этих процессов используется следующая технологическая цепочка (рис. 1): сырой продукт из скважин подается на входной двухфазный сепаратор, где происходит первичный отбор газа из продукта. Далее первично дегазированный продукт подается на трехфазный сепаратор, в котором производятся сброс пластовой воды и дополнительный отбор газа из продукта. При этом газ первичного отбора имеет достаточное давление для дальнейшей его транспортировки на перерабатывающие сооружения. Тогда как газ вторичного отбора, имеющий низкое давление, в большинстве случаев отправляется на сжигание на факельную установку. С учетом того, что объем газа вторичного отбора составляет около 10 % от общего объема отделяемого газа, сжигается неоправданно большое количество ценного продукта.

К настоящему времени среди технологий, направленных на утилизацию газа, выделившегося при вторичном отборе, наибольшее распространение, в том числе и при обустройстве морских месторождений, получили следующие.

1. Утилизация на месте добычи без переработки. Суть данной технологии заключается в том, что отделенный и не переработанный газ либо закачивается в пласт в целях поддержания пластового давления, либо используется для водогазового воздействия на пласт, либо аккумулируется в подземных хранилищах для извлечения в будущем [1, 2]. Эти технологии хорошо изучены, надежны и практически не зависят от состава газа, но они достаточно энерго- и капиталоемкие, и их применение ограничено геологическими особенностями пласта.

2. Транспортировка газа или газожидкостной смеси многофазным транспортом на газоперерабатывающий завод (ГПЗ) [2]. В случае наличия развитой инфраструктуры по транспортировке газа отправка ПНГ на переработку на ГПЗ требует наименьших капитальных затрат. Недостатком этого направления для удаленных промыслов с неразвитой инфраструктурой является необходимость строительства дополнительных газоперекачивающих станций и сопутствующих линейных сооружений, а также наличие самой ГПЗ в районе добычи.

3. Использование на месте в качестве топливного газа на газопоршневых (ГПЭС) и газотурбинных электростанциях (ГТЭС) для выработки электроэнергии, идущей на собственные нужды [2]. При выделении достаточно больших объемов ПНГ – использование в качестве топлива на крупных электростанциях для энергообеспечения других промышленных и гражданских объектов. К недостаткам этого направления можно отнести жесткие требования широко распространенных традиционных ГТЭС и ГПЭС к составу топлива (содержание сероводорода не выше 0,1 %), что требует строительства дополнительных систем газоочистки и эксплуатационных затрат на техническое обслуживание оборудования.

4. Закачка в газотранспортную сеть ПАО «Газпром». При этом также потребуется дополнительная подготовка для соответствия требованиям СТО Газпром 089-2010 [3].

5. Переработка ПНГ в метанол на месте добычи, внедряемая российской компанией ПАО «НОВАТЭК» [4].

6. Сжигание ПНГ на нефтепромыслах с помощью факельных установок, обусловленное в большинстве случаев отсутствием эффективных систем утилизации ПНГ [2, 5].

1_1.png

Помимо перечисленных технологий разработан ряд других направлений по утилизации ПНГ, позволяющих осуществлять переработку ПНГ на месте добычи в гидратную или сжиженную форму в целях ее дальнейшей транспортировки, требующей добавления различных катализаторов в процессе переработки ПНГ [6–8]. Недостатками таких технологий являются большая стоимость необходимого оборудования, габариты и вес, что неприемлемо в условиях морской платформы, имеющей ограничения по допустимой весовой нагрузке и габаритам размещаемого оборудования.

Таким образом, наиболее оптимальной технологией утилизации ПНГ для малых и средних месторождений, значительно удаленных от основной инфраструктуры, является та технология, которая максимально снизит капитальные затраты на разработку и освоение месторождения, обеспечивая при этом высокую эффективность, быструю встраиваемость в существующую технологическую схему без внесения в нее дополнительных значительных изменений и минимальное вредное воздействие на окружающую среду.

Учитывая вышесказанное, в данной статье рассмотрена разработанная автором технология утилизации ПНГ с использованием отводящих факельных газов [9], а также приведен упрощенный термодинамический расчет, отражающий суть происходящих процессов. Технология обеспечивает снижение доли сжигаемого на факельной установке попутного нефтяного газа и использование тепловой энергии факельной установки для повышения давления и температуры ПНГ в целях дальнейшей его транспортировки вместе с остальным добываемым продуктом.

1_1_1.png 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТЕХНОЛОГИИ

Основой разработанной технологии являются обратимые круговые процессы цикла Карно, при этом само предлагаемое решение с учетом сложившегося уровня техники не является очевидным. Основное положение принципа Карно состоит в том, что для получения работы в тепловой машине необходимы по крайней мере два источника теплоты с разными температурами.

В предложенном Карно «идеальном цикле тепловой машины» используются два источника теплоты с постоянными температурами: горячий и холодный. Поскольку цикл идеальный, то он состоит из обратимых процессов теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты, протекающих по двум изотермам, и двух идеальных адиабат перехода рабочего тела с одной изотермы на другую [10]. Получить работу возможно только при наличии разности температур горячего и холодного источников теплоты. Максимальная работа цикла Карно теоретически была бы при температуре холодного источника Т = 0 К, но в качестве холодного источника в тепловых машинах, как правило, используется окружающая среда (вода, воздух) с температурой около Т = 300 К. Кроме этого, достижение абсолютного нуля в природе невозможно [10].

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Наиболее близким к предлагаемому процессу является процесс работы двигателя внешнего сгорания, а именно работа паровой машины. При работе паровой машины используется энергия водяного пара, которая преобразуется в механическую работу в результате возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение маховика.

В предлагаемом автором решении тепловая энергия преобразуется в энергию упругой деформации, последовательно сжимающей и растягивающей рабочее тело (ПНГ), тем самым определяя период с пониженным давлением и период с повышенным давлением рабочего тела. Используя это свойство, становится возможным создать подобие насоса объемного типа, в котором изменение объема рабочей камеры происходит за счет подвода (отвода) тепловой энергии. Для более полного втягивания (вытеснения) ПНГ используется поршень.

Для осуществления данной технологии необходимо наличие следующих сооружений (рис. 2): факельный сепаратор; факельная установка; устройство сбора выхлопных газов; две рабочие камеры; емкость-отстойник; свеча рассеивания.

Технология реализуется следующим образом: часть ПНГ с низким давлением отбирается из факельного сепаратора 1 (см. рис. 2) и подается через впускной клапан в рабочие камеры 4, в которых происходит его сжатие, сопровождающееся повышением температуры продукта. Далее через выпускной клапан ПНГ, уже имеющий высокое давление и повышенную температуру, отводится из рабочих камер и подается в нефтегазовый трубопровод, смешивается с основным добываемым продуктом и транспортируется на центральный пункт сбора 7.

Другая часть газа подается на факельную установку 2, в которой происходит его сжигание. На факельной установке предусматривается применение устройства сбора выхлопных газов 3, предназначенного для сбора и подачи выхлопных газов к рабочей камере 4. Передав тепловую энергию рабочей камере, отработанный газ отводится на свечу рассеивания 6.

Для охлаждения рабочего блока 4 применяется отделенная в емкости-отстойнике 5 пластовая вода, которая в дальнейшем используется в системе повышения пластового давления (ППД) путем закачки ее в скважины 8. В процессе теплообмена с рабочей камерой 4 температура воды повышается, способствуя возрастанию эффективности работы системы ППД.

Основным узлом, отвечающим за преобразование тепловой энергии в механическую, является рабочая камера 4. Рабочая камера (рис. 3) разделена на два участка: нагреватель 7 и холодильник 2. Внутри рабочей камеры между нагревателем и холодильником располагается подвижный поршень 5. Камера имеет впускной и выпускной клапаны. В процессе работы необходимо использование как минимум двух рабочих камер, имеющих жесткую связь между поршнями с помощью кривошипа со смещением 90°.

Нагреватель – это участок рабочей камеры, к которому подаются горячие выхлопные газы.
В соответствии с законом Шарля с ростом температуры наблюдается прямо пропорциональное увеличение давления в рабочей камере, которое, в свою очередь, толкает поршень в противоположную от нагревателя сторону. Противоположный участок рабочей камеры – холодильник –
имеет ребра охлаждения, которые омываются отделенной
в емкости-отстойнике водой. При движении от нагревателя к холодильнику в первой камере поршень, имеющий жесткую связь с поршнем из второй камеры, заставляет его двигаться в противоположную сторону, вытесняя весь горячий газ из нагревателя в холодильник. В холодильнике происходят резкое охлаждение
и сжатие газа. Далее во второй камере с ростом температуры газа у нагревателя увеличивается его давление, толкающее поршень в сторону холодильника,
и весь цикл повторяется снова.

 

РАСЧЕТ КПД УСТАНОВКИ

Рассчитаем коэффициент полезного действия (КПД) данной установки и определим основные влияющие на него параметры. Для этого определяется общая работа цикла [10]:

1_1_2.png                          (1)

 

где R – универсальная газовая постоянная; y – показатель адиабаты; V0, …, V3 – объем рабочего тела в различные моменты цикла; Т1, T2 – температуры горячего и холодного источников, соответственно.

Обозначим  1_1_3.png,    (2)

 

 

тогда A = Q1 – Q2 = R(T1 - T2)lnβ > 0,                        (3)

 

где Q1, Q2 – количество теплоты, полученное от нагревателя и отданное холодильнику, соответственно.

Отсюда следует, что работа, совершаемая газом, больше работы внешних сил.

КПД η равен:

1_1_4.png                          (4)

 

Из уравнения (4) видно, что η < 1 зависит от разности температур между нагревателем и холодильником и не зависит от конструкции машины и рода рабочего тела.

 

РАСЧЕТ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ

Рассчитаем давление и объем газа, создаваемые при работе данной установки. Для этого воспользуемся объединенным газовым законом [11], который и будет использоваться для описания модели работы представленной установки:

1_1_5.png,      (5) 

 

где P1, P2, V1, V2, T1, T2 – давление, объем и температура газа при переходе из одного состояния в другое, соответственно.

Для решения поставленной задачи введем следующие исходные параметры:

– полный объем рабочей камеры примем 2 м3, или 2000 л;

– начальная температура газа равна 50 °С, или 323 К;

– конечная температура газа равна 850 °С, или 1123 К;

– давление при входе в рабочую камеру примем 0,5 МПа, или 500 кПа;

– учтем, что при движении поршня внутри камеры происходит изменение полезного объема камеры;

– ограничимся диапазоном от 1 до 2 м3 полезного объема рабочей камеры, при этом пренебрегаем объемом самого поршня.

Находим конечное давление при объеме камеры 1 м3, или 1000 л:

 

1_1_6.png    (6)

 

Находим конечное давление при объеме камеры 2 м3, или 2000 л:

1_1_7.png    (7)

 

На рис. 4 приведена диаграмма зависимости создаваемого в камере давления от различных объемов камеры в момент пуска.

Необходимо отметить, что приведенные выше параметры соответствуют моменту пуска установки в работу, так как начальная температура газа при прохождении холодильника будет более низкой. Из этого соображения снова рассчитаем конечные давления, создаваемые представленной установкой.

Находим конечное давление при объеме камеры 1 м3, или 1000 л:

1_1_8.png    (8)

Находим конечное давление при объеме камеры 2 м3, или 2000 л:

 

1_1_9.png    (9)

 

На рис. 5 приведена диаграмма зависимости создаваемого в камере давления от различных объемов камеры в течение основного цикла работы.

1_1_10.png

Как видно из уравнений, с уменьшением температуры омывающего холодильник компонента эффективность работы установки возрастает. Данный вывод соответствует выводу, приведенному выше при расчете КПД установки.

Имея эти данные, решим задачу нахождения количества газа, которое теоретически может перекачать данная установка при обозначенных выше параметрах.

1_1_11.png

Для решения поставленной задачи примем следующие исходные параметры (допущения):

– время совершения поршнем цикла движения от нагревателя к холодильнику и обратно t = 2 с, при этом время полезной работы составляет половину цикла;

– плотность газа равна 6,3 кг/м3.

Получаем:

1_1_12.png                       (10)

 

где Vт – теоретический объем;
Vп – полезный объем.

Переводим м3/ч в кг/ч:

 

V = 1800·6,3 = 11 340 кг/ч.       (11)

 

В результате теоретически возможная перекачивающая способность одной рабочей камеры объемом 2 м3 составляет 472,5 кг/сут газа.

 

ПРЕДПОЛАГАЕМЫЙ ЭФФЕКТ

Предложенное решение обеспечивает получение следующих технических результатов:

– снижение доли сжигаемого ПНГ на факельной установке;

– использование тепловой энергии факельной установки для повышения давления и температуры ПНГ в целях совместной транспортировки с добываемым продуктом. Снижается вязкость перекачиваемого продукта за счет смешения с горячим ПНГ;

– использование отделившейся воды из емкости-отстойника для теплообмена с описываемой установкой. При этом отделившаяся вода, используемая в целях повышения пластового давления, приобретает повышенную температуру, что, в свою очередь, способствует понижению вязкости добываемой продукции и увеличению дебита;

– снижение вредного воздействия на окружающую среду;

– снижение капитальных затрат на обустройство нефтегазовых месторождений за счет простоты конструкции предложенной установки и возможности применения ее на уже действующих объектах;

– отсутствие ограничений по физико-химическим свойствам ПНГ.

Вместе с тем использование данной технологии не ведет к полному отказу от применения факельной установки на нефтегазопромысловых объектах ввиду возможных аварийных ситуаций на объекте, при которых кратковременное сжигание газа является оправданным, в том числе по экологическим причинам.
В то же время значительно снижается уровень сжигаемого ПНГ. При этом для использования данной технологии не требуется какого-либо существенного перевооружения действующих нефтегазодобывающих объектов и связанных с этим капитальных затрат.

 

ВЫВОДЫ

Решена задача определения эффективной технологии утилизации ПНГ с использованием отводящих факельных газов. Приведены ее теоретические аспекты и принципиальные решения, за счет которых обеспечивается снижение доли сжигаемого газа на факельной установке.

Проведен расчет КПД установки, основанный на предложенной технологии. Приведены основные параметры, влияющие на эффективность технологии.

На основе известных законов состояния представлен расчет нахождения основных рабочих параметров установки – давления и объема газа, создаваемых при ее работе. 



← Назад к списку