СПОСОБ ПОДГОТОВКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ С ГАЗОВОЙ ФАЗОЙ К ТРАНСПОРТУ
METHOD FOR PREPARING HYDROCARBON MATERIAL WITH GASEOUS PHASE FOR TRANSPORTATION

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к подготовке углеводородного сырья с газовой фазой к транспорту, с использованием нерастворимого ингибитора гидратообразования углеводородного фракционного состав обладающего потенциалом ингибитора гидратообразования в газовом потоке.
Известен способ подготовки углеводородного газа к транспорту методом низкотемпературной сепарации (НТС) газового потока (см. Балыбердина И.Т. Физические методы переработки и использования газа. - М.: Недра, 1988, с. 153-154). Этот способ осуществляется путем охлаждения потока газа в теплообменниках и редуцирующих устройствах (дросселях, детандерах и/или эжекторах) с последующим отделением конденсирующихся фаз в сепараторах.
Так, трехступенчатая схема низко-температурной сепарации, реализуемая на ряде газоконденсатных месторождений в РФ (см. Патент RU 2175882 С2), когда используют в качестве ингибитора гидратообразования метанол, имеет ряд недостатков, включая повышенный расход метанола и высокие энергетические затраты на регенерацию отработанного метанола. Поскольку метанол является сильно токсичным веществом, это отрицательно сказывается на экологии окружающей среды (воздушного бассейна и геологической среды).
Наиболее близким аналогом по сути к предлагаемому техническому решению является способ подготовки углеводородного газа к транспорту трехступенчатой сепарацией (см. Патент №2124930, кл. B01D 53/00, 53/26, 1999), включающий ступенчатую сепарацию, охлаждение газового потока между ступенями сепарации, введение в поток газа растворимого ингибитора гидратообразования метанола, выведение из сепараторов жидкости, разделение ее на углеводородную и водную фазы с направлением последней в поток газа, поступающий на одну из предыдущих ступеней сепарации.
Недостатком указанного способа является высокий расход метанола, который начинают подавать на кусты скважин с целью ингибирования гидратобразующих в закрытой системе (шлейфах и коллекторе). Это приводит к тому, что в жидкой водной фазе, отделяемой в сепараторе первой ступени установки НТС, концентрация метанола составляет около 20% и более, которая в свою очередь зависит от температуры в закрытой системе и от температуры окружающей среды.
Тем самым снижается эффективность подготовки углеводородного газа к транспорту и ухудшение условий для испарения на первой ступени сепарации подаваемого с предыдущей ступени сепарации отработанного метанола (из-за понижения температуры и присутствия паров метанола в газовой среде, поступающих на первую ступень сепарации). Кроме того, отделяемый в сепараторе первой ступени водный метанол с относительно низкой концентрацией не подлежит регенерации и утилизируется, а это увеличивает расход метанола и прессинг на окружающую среду.
Следовательно существует необходимость в иных ингибиторах гидратообразования в газовом потоке или смесях на их основе, обладающих необходимыми свойствами, которые было бы удобно примешивать в низких концентрациях к исходному углеводородному углеводородному газу, включая попутный нефтяной и природный газ, перед транспортировкой до потребителя. Такой ингибитор должен понижать скорость образования зародышей роста или агломерации кристаллов гидратов газа в газовом потоке углеводородного газа и таким образом предупреждать гидратообразования в закрытой системе, предупреждая гидратообразования в на ранних стадиях при подготовке углеводородного газа к транспорту и недопущения загидрачивания в трубопроводной системе, включая шлейфы и трубопроводы.
Техническая задача способа заключается в повышении эффективности производства подготовки углеводородного сырья с газовой фазой к транспорту при сокращении используемых энергоемких процессов, включая регенерацию растворимого ингибитора метанола и утилизацию водометанольного раствора в промышленные стоки, при снижении расхода летучего растворимого токсичного метанола и прессинга на окружающую среду на основе нового метода предупреждения образования гидратов в потоке газа.
Способ предусматривает вариант использования выделяемой жидкой фазы при сепарации исходного углеводородного газа для разделения ее на углеводородную и водную фазы с направлением последней в промышленные стоки.
Техническим результатом является повышение эффективности производства и снижение сложившихся негативных экологических последствий при использовании предлагаемых углеводородных фракционных составов для предупреждения гидрат-образования в потоке углеводородного газа по технологической схеме (см. таблица 1).
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе подготовки углеродного сырья с газовой фазой к транспорту, включающем подачу газа с кустов скважин на сепарацию, трехступенчатую сепарацию с охлаждением газового потока, введение в него растворимого летучего ингибитора гидратообразования метанола, выведение из сепараторов жидкости, разделение ее на углеводородную и водометанольную фазы, подачу жидких углеводородов с первой ступени сепарации на противоточное контактирование с отсепарированным газом на последнюю ступень сепарации, особенность заключается в том, что в поток углеводородного газа при подаче по шлейфу от скважин на сепарацию и до подачи на отдувку первой ступени сепарации вводят следующий углеводородный фракционный состав в мас. %:
Фракции
Метановая группа
всего 43.30 мас. %
Пентан
21.50
Гексан
12.40
Гептан
2.80
Октан
4.30
Нонан
1.30
Декан
0.50
Ундекан
0.30
Додекан
0.10
Тридекан
0.10
Нафтеновая группа
всего 43.783 мас. %
- моноциклические
41.80
- биоциклические
0.083
- трицеклические
1.90
Ароматическая группа
всего 12.917 мас. %
- алкил бензола
12.0
- нафтен бензола
0.60
- дифтен бензола
0.017
- нафталин
0.30
Общее количество
100 мас. %
с потенциалом нерастворимого ингибитора гидратообразования из углеводородных фракций, представляющих собой газоконденсатную смесь, выкипающий в интервале 23-290°C в пределах 2-90:98-10 мас. % к масе присутствующим водосодержащим молекулам в газовом потоке.
В углеводородный фракционный состав предварительно вводят углеводородную фракцию, в частности бензиновую фракцию, выкипающую в интервале 25-210°C в пределах 0,1-99,55 мас. %.
В углеводородный фракционный состав и/или в углеводородную фракцию, выкипающую в интервале 25-210°C, предварительно вводят метил-трет-бутиловый эфир в пределах 0,1-55,0 мас. %.
Согласно изобретению предложен способ предупреждения гидратообразования в газовом потоке ингибированием присутствующих гидрат-образующих составляющих методом непосредственного воздействия на водосодержащие молекулы в газовом потоке, что обеспечивает влияние на термодинамическое равновесие между водосодержащими молекулами и газа, изменяя условия гидратообразования в газовом потоке при введении в газовый поток предлагаемого углеводородного фракционного состава (УФС), что влияет на скорость образования зародышей, роста или агломерации кристаллов гидратов.
Для предупреждения гидратообразования в закрытой системе, включая транспортировку углеводородного газа по шлейфам и коллектору с кустов скважин на сепарацию, для подготовки углеводородного газа предпочтительно использовать УФС с концентрацией до 98 мас. % к масе присутствующих водосодержащих молекул в газовом потоке.
При обработке углеводородного газа устанавливают следующие параметры: в сепараторах первой ступени 1, 2 давление 10 МПа и температура 25°C, в сепараторе 7 давление 9,8 МПа и температура минус 13°C, на входе сепаратор-абсорбер 12 давление 5,5 МПа и температура минус 30°C. В разделительной емкости 6 давление 5,7 МПа и температура 20°C. Углеводородную жидкую фазу из разделительной емкости 5 в количестве до 30 т/ч подают на орошение в сепаратор-абсорбер 10. Количество водосодержащих молекул в газовом потоке, поступающих в составе углеводородного газа из скважины, может составлять около 1400 кг/ч.
Способ подготовки углеводородного сырья с газовой фазой к транспорту, заключающийся в подаче газа с кустов скважин на сепарацию, трехступенчатую сепарацию с охлаждением газового потока, введение в него нерастворимого ингибитора гидратообразования УФС с потенциалом нерастворимого ингибитора гидратообразования из углеводородных фракций, выкипающих в интервале 23-290°C в пределах 2-90:98-10 мас. % к масе присутствующих молекул в газовом потоке.
Поскольку предлагаемый УФС для использования в технологии подготовки углеводородного сырья с газовой фазой к транспорту, дисперсируясь в газовом потоке, открывает основную свою функцию или способность обволакивать водосодержащие молекулы водонепроницаемой пленкой, препятствовать их слипанию и кристаллизации, происходит нейтрализация (изоляция) водосодержащих молекул на период до изменения температуры среды в закрытой системе, что значительно снижает вероятность ограничения газового потока до выведения жидкой фазы из газового потока.
Как известно, в углеводородных газах присутствует двуокись углерода, кислород, азот, сероводород, парафины и разнообразные углеводороды, такие как метан, этан, пропан, н-бутан и изобутан, а также предельные углеводороды, которые в условиях повышенного давления или при пониженной температуре в газовом потоке могут образовывать клатрат-гидраты, представляющие собой клетеобразную структуру в закрытой системе.
2
2
4
2
Необходимо руководствоваться тем, что метан, этан и двуокись углерода образуют гидраты первой структуры, при этом идеальная формула гидрата в этом случае 8М*46HO (М - молекула гидратообразования). Пропан и бутан образуют гидраты второй структуры с формулой 8М*136HO. Метан образует гидрат, имеющий формулу СН*6HO. Для связывания 1 кг метана в гидрат, соответствующий указанной формуле, требуется 6,75 кг воды.
1. С увеличением молекулярной массы газа, количество паров воды, необходимое для насыщения газа, снижается.
2. Газовые гидраты представляют собой кристаллические соединения, образуемые ассоциированными молекулами углеводородов и воды, которые внешне напоминают снег или лед.
Согласно воплощению изобретения, в газовом потоке углеводородного сырья создается система, состоящая из двух жидких фаз, одна из которых дисперсирована в виде капелек в другой, при этом величина капелек может достигать размера до 100 мкм. Жидкость воды (капельки размером до 100 мкм) называется дисперсной фазой, а углеводородный фракционный состав, в котором находятся капельки, называется дисперсной средой.
При определенных условиях (наличие энергии потока) УФС проявляет функцию ингибитора гидратообразования газового потока - это резко понижает скорость образования зародышей роста и агломерации гидратов газа в газовом потоке и таким образом ингибирует их уже в начальной стадии образования газовых гидратов в процессе подготовки углеводородного газа к транспорту.
Способ подготовки углеводородного сырья с газовой фазой к транспорту основан на нейтрализации (изоляции) водосодержащих молекул в газовом потоке для предупреждения гидратообразования в газовом потоке, когда на результат может влиять своевременный ввод УФС, когда в поток углеводородного газа при подаче по шлейфу от скважин на сепарацию и до подачи на отдувку первой ступени вводят УФС с потенциалом нерастворимого гидратообразования из углеводородных фракций, выкипающих в интервале 23-290°C в пределах 2-90:98-10 мас. % к массе присутствующих водосодержащих молекул в газовом потоке, где могут быть использованы известные технологические приемы, например непрерывная подача УФС в закрытую систему с помощью дозировочных насосов или периодической закачкой в систему, особенно перед остановкой и запуском ее в эксплуатацию.
Подача в газовый поток ингибитора гидратообразования, например УФС с последующих ступеней сепарации на предыдущую (т.е. в голову технологического процесса), сокращает расход исходного нерастворимого ингибитора УФС на основе использования энергии потока газа закрытой системы при выведении углеводородной и водной фазы из сепараторов и производственные затраты в целом, что позволяет отказаться от энергоемкого процесса регенерации отработанного метанола (водометанольного раствора содержащего 10-15% метанола) методом ректификации. Согласно воплощению изобретения, в газовый поток, содержащий гидратобразующие составляющие, вводят углеводородный фракционный состав в мас. %:
Фракции
Метановая группа
всего 43.30 мас. %
Пентан
21.50
Гексан
12.40
Гептан
2.80
Октан
4.30
Нонан
1.30
Декан
0.50
Ундекан
0.30
Додекан
0.10
Тридекан
0.10
Нафтеновая группа
всего 43.783 мас. %
- моноциклические
41.80
- биоциклические
0.083
- трицеклические
1.90
Ароматическая группа
всего 12.917 мас. %
- алкил бензола
12.0
- нафтен бензола
0.60
- дифтен бензола
0.017
- нафталин
0.30
Общее количество
100 мас. %
с потенциалом нерастворимого ингибитора гидратообразования из углеводородных фракций, выкипающих в интервале 23-290°C в пределах 2-90:98-10 мас. % к массе присутствующих водосодержащих молекул в газовом потоке.
Необходимо руководствоваться тем, что в целях предпочтительного варианта воплощения изобретения, с целью повышения эффективности способа, предусмотрено повышение качества предлагаемого состава УФС за счет предварительного ввода в углеводородный фракционный состав углеводородную фракцию, в частности бензиновую фракцию, выкипающую в интервале 25-210°C в пределах 0,1-99,55 мас. %.
Следует руководствоваться тем, что предварительный ввод в углеводородный состав углеводородных фракций (УФС) с потенциалом нерастворимого ингибитора из углеводородных фракций, выкипающих в интервале 23-290°C углеводородной фракции, выкипающей в интервале 25-210°C, и/или метил-трет-бутилового эфира повышает качественные свойства у УФС и эффективность процесса ингибирования в газовом потоке.
Поскольку предлагаемый для использования УФС в технологии подготовки углеводородного сырья с газовой фазой к транспорту раскрывает основную свою функцию или способность обволакивать водосодержащие молекулы водонепроницаемой пленкой и тем самым препятствовать их слипанию и кристаллизации, происходит нейтрализация (консервирование) водосодержащих молекул на период до изменения температуры среды в закрытой системе, что значительно снижает вероятность ограничения газового потока и обеспечивает вывод жидкой фазы из газового потока.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показана технологическая схема прохождения газа.
В соответствии с наиболее близким к представленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату способом поступающий на технологическую подготовку по шлейфам углеводородный газ подают на предварительную сепарацию, где выделенные при сепарации на первой ступени в сепаратор 1 и 2 жидкие фазы объединяют и направляют в емкость 6. В емкости 6 поступающую смесь разделяют на водную фазу, жидкие углеводороды и газ.
Водную фазу направляют в промстоки, а газовую - в куб сепаратора-абсорбера 10. В поток углеводородного газа из сепаратора 2 дополнительно вводят УФС, после чего газ охлаждают в воздушном холодильнике 3, рекуперативном теплообменнике 4, и направляют в сепаратор 7. В сепараторе 7 газ отделяют от сконденсировавшейся жидкости и через эжектор 8 и расширительное устройство 9 подают в сепаратор 10 на противоточное контактирование с углеводородной жидкостью из емкости 6. Отработанный в сепараторе-абсорбере 10 газ нагревают в теплообменнике 4 и направляют потребителям, а выделенную жидкость объединяют с выделяемой жидкостью из сепаратора 7. Образующуюся смесь нагревают в рекуперативном теплообменнике 11 и подают в емкость 12 для разделения на газовую, водную и углеводородную фазы. Жидкие углеводороды из емкости 12 направляют для вторичного использования в качестве УФС, а газы дегазации через энжектор 8 в абсорбер-сепаратор 10.
5
12
Предлагаемый способ, в целях предупреждения гидратообразования в газовом потоке, обеспечивает нейтрализацию (изоляцию) присутствующим водосодержащим молекулам в потоке газа и выделение их из газового потока в виде конденсирующейся жидкой фазы, которую разделяют на углеводородную и водную фазы с последующим направлением последней в промышленные стоки, а углеводородной фазы на повторное использование как УФС по прилагаемой технологической схеме (см. Иллюстрация 1) к настоящему техническому решению, когда при температуре в концевом низкотемпературном сепараторе ниже минус 25°C обеспечивается высокая степень извлечения жидких углеводородов (СН + высшие) из газового потока.
Этот способ не требует привлечение дополнительных финансовых затрат и применение дорогостоящих ингредиентов, исключает использование энергоемкого процесса регенерации отработанного метанола низких концентраций и снижает расход растворимого летучего ингибитора гидратообразования - метанола.
Способ улучшает экологические показатели на действующих установках НТС (низко-температурная сепарация) и снижает уровень достигнутого прессинга на окружающую среду, включая отсутствие в промышленных стоках используемого ингибитора гидратообразования - метанола, что может повлиять на снижение количества горящих факелов на нефтегазовых промыслах.
Предлагаемый способ имеет следующие преимущества: осуществлять подготовку углеводородного газа к транспорту на основе нейтрализации (консервации) водосодержащих молекул, присутствующих в потоке углеводородного газа на ранней стадии их формирования с предупреждением гидратообразования в газовом потоке без использования растворимого токсичного метанола (см. Таблица 1) при подготовке углеводородного газа, концентрация которого в отдельных процессах достигает более 50 мас. % от масы присутствующих водосодержащих молекул в газовом потоке (см. Патент №1466782 A1, B01D 53/26 от 26.05.87).
Заявителю не известно из существующего уровня техники способа подготовки углеводородного газа к транспорту, где используют предлагаемый углеводородный фракционный состав (УФС) с потенциалом нерастворимого ингибитора гидратообразования из углеводородных фракций, выкипающих в интервале 23-290°C в газовом потоке.
Эффективность данного метода тем выше, чем в большей степени поступающий на обработку углеводородный газ выполняет функцию продувочного газа, а количество перешедшего из сконденсированных водосодержащих молекул в жидкое состояние возрастает.
Указанная техническая задача решается с сокращением ряда энергоемких процессов при подготовке углеводородного газа к транспорту, включая процессы регенерации отработанного метанола, используемого в близком аналоге по сути способе и утилизации водометанольной смеси, содержащей 10-15% метанола, что способствует снижению прессинга на окружающую среду.
Химический потенциал присутствующих водосодержащих молекул в газовом потоке при этом понижается настолько, что они не могут вступать в соединение с молекулами газа и образовывать гидратообразования.
Физическая сущность изобретения заключается в создании системы внутри газового потока, состоящей из двух жидких фаз, одна из которых дисперсирована в виде капелек в другой, которая влияет на снижение имеющихся условий гидратообразования в закрытой системе на протяжении всего процесса подготовки углеводородного газа к транспорту при введении в газовый поток УФС с потенциалом нерастворимого ингибитора гидратообразования из углеводородных фракций Приложение 1.1, которые индифферентны к углеводородным соединениям газа, а при контактировании (смешении) с гидрат-образующими составляющими в газовом потоке, в частности с водосодержащими молекулами, нейтрализуют (консервируют) их на стадии конденсации, что предотвращает образование гидратов при снижении температуры в закрытой системе и при последующем охлаждении газового потока в шлейфе и на ступенях сепарации.
Предлагаемый УФС характеризуется свойствами углеводородных фракций, входящих в его состав, включая отдельные и суммарные фракции в мас. % (Приложение 1.1), и предварительно вводимыми в его состав ингредиентами - углеводородной фракцией, и МТБЭ не содержат молекулы воды и кислородные соединения, но при введении в газовый поток изменяют термодинамического равновесия между водосодержащими молекулами и газа.
Во взаимодействии между водосодержащими молекулами и газа проводится коррекция, что снижает условия возникновения кристаллообразования и гидратообразования в закрытой системе.
Необходимо руководствоваться тем, что вводить состав УФС в газовый поток необходимо до начала гидратообразования и в начале каждого технологического процесса подготовки углеводородного газа к транспорту, в целях его подготовки к транспорту или профилактических мер.
В отличие от ранее используемого растворимого летучего ингибитора гидратообразования - метанола, предлагаемый состав УФС и предварительно вводимые в его состав ингредиенты (УФ и МТБЭ) менее токсичны и полностью выводятся из газового потока в процессе сепарации в составе выводимой жидкости на установке НТС (низко-температурной сепарации).
Необходимо руководствоваться тем, что эффективность предлагаемого способа возрастает при использовании энергии потока в закрытой системе и резко снижается при повышении температуры, что может являться регулирующим фактором в технологическом процессе используемого при подготовке углеводородного газа к транспорту. Эффективность данного приема тем выше, чем в большей степени поступающий на обработку газ выполняет функцию продувочного газа, а количество нейтрализованных водосодержащих молекул, сконденсированных в выводимую жидкость из потока углеводородного газа, возрастает.
Предлагаемый способ имеет следующие преимущества:
- осуществлять подготовку углеводородного газа к транспорту за счет нейтрализации (изоляции) водосодержащих молекул, присутствующих в газовом потоке без использования в процессах летучего растворимого ингибитора-метанола, где его концентрация в отдельных процессах иногда может достигать 50 мас. % к массе присутствующих водосодержащих молекул в газовом потоке,
- расход метанола ингибитора гидрат-образования в газовом потоке снижается.
По известному способу расход метанола составляет 346 кг/ч. Одновременно сокращаются потери метанола с промышленными стоками до 118 кг/ч.
Согласно изобретению предлагается способ предупреждения гидратообразования в газовом потоке. Поскольку состав УФС, дисперсируясь в газовом потоке, раскрывает свои свойства по нейтрализации присутствующих водосодержащих молекул, снижается вероятность ограничения газового потока.
В поток газа, транспортируемого по шлейфу на сепарацию и до подачи на отдувку первой ступени, вводят УФС с потенциалом нерастворимого ингибитора гидратообразования в пределах 2-90:98-10 мас. % к массе присутствующих водосодержащих молекул в газовом потоке, которая характеризуется показателем равновесной влагоемкости газового потока и определяется по уравнению Букачека.
Чтобы обеспечить эффективную и квалифицированную нейтрализацию (изоляцию) водосодержащих молекул в газовом потоке, следует учитывать два момента:
- во-первых, предпочтительно, чтобы отсутствовала водная фаза в газовом потоке в соответствии с технологическим регламентом эксплуатации оборудования, так, в системах природного газа водная фаза не появляется до тех пор, пока газ не охладится в достаточной степени для конденсации водосодержащих молекул.
- во-вторых, поскольку состав УФС, прежде всего, служит для ингибирования гидрат-образования, важно обработать водосодержащие молекулы в мелкодисперсном состоянии, до их образования в газовом потоке закрытой системы.
Согласно изобретению, жидкость, выводимую при сепарации углеводородного газового потока, после воздействия вводимого в газовый поток состава УФС на водосодержащие молекулы в газовом потоке разделяют на углеводородную и водную фазы, с направлением последней в промышленные стоки, а углеводородную фазу - на вторичное использование как УФС, что обеспечивает отсутствие в промышленных стоках токсичного метанола и надобность в его регенерации.
В качестве основного отличия от аналога (патент RU №2124930) для промышленной применимости настоящий способ подготовки углеводородного газа к транспорту характеризуется доступностью имеющихся средств достижения и упрощенностью метода в использовании существующих технологических процессов и оборудования в нефтегазодобывающей промышленности, без дополнительных затрат на переоборудование, включая использование в УФС углеводородных фракциях выкипающих в интервале 23-290°С, или смесь на их основе, включая газоконденсатную смесь, являющуюся побочным продуктом производства в нефтегазовой отрасли производства.
Для оценки эффективности предлагаемого способа, по сравнению с аналогом, где раскрывается потенциал ингибирующих свойств УФС, который характеризуется своим воздействием на водосодержащие молекулы в газовом потоке, что может быть использовано в процессе подготовки углеводородного газа к транспорту с высокой степенью извлечения жидкой фазы (выше 95%) из потока углеводородного газа.
Таким образом, для использования разработанной технологии в промышленности, предлагаемый состав УФС обладает необходимыми свойствами по созданию условий для нейтрализации водосодержащих молекул в газовом потоке, снижению скорости кристаллизации и гидратообразования в газовом потоке с помощью известных технологических приемов, например непрерывной подачей его в газовый поток с помощью насосов или иного введения в закрытую систему, особенно перед остановкой и запуском задействованного технологического оборудования.
Состав УФС вводят в поток углеводородного газа, используя такие механические приспособления, как химические топливные насосы, тройники для присоединения отводного трубопровода к главной магистрали, фитинги для впрыскивания, и другие устройства, хорошо известные специалистам в соответствующей области. Способ повышает эффективность производства на 15%.