СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТВОДЯЩИХ ФАКЕЛЬНЫХ ГАЗОВ
METHOD FOR DISPOSING ASSOCIATED PETROLEUM GAS USING EXHAUST FLARE GASES

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к способу утилизации попутного нефтяного газа с использованием отводящих (выхлопных) газов от факельной установки.
Известны способы, предусматривающие отделение попутного нефтяного газа (ПНГ) от добываемого продукта с помощью сепараторов, дальнейшую его очистку, обезвоживание, осушку с целью последующего его транспорта по газопроводам высокого давления до объектов переработки газа [1, 2]. Недостатком таких способов является большая капиталоемкость строительства линейных сооружений для газопровода и сопутствующей инфраструктуры.
Используется также способ сжигания ПНГ на нефтепромыслах с помощью факельных установок, обусловленный в большинстве случаев отсутствием эффективных систем утилизации ПНГ [2, 3]. При этом сжигается неоправданно большое количество углеводородов, приводящее к значительному вредному воздействию на окружающую среду и большим экономическим потерям для предприятия.
Известны способы, основанные на добавлении в добываемый продукт добавок и реагентов, выступающих в роли катализаторов и позволяющих перерабатывать ПНГ в гидратную или сжиженную форму [4, 5, 6]. Недостатком таких способов является большая стоимость необходимого оборудования и его обслуживания. В случае применения таких способов на удаленных малоосвоенных месторождениях гарантировано обеспечивать своевременный подвоз необходимого регента не представляется возможным, а создавать вместо этого комплекс по переработке и восстановлению реагента не всегда экономически эффективно. Также необходимо отметить, что добавление каких-либо реагентов в продукт приводит к необходимости извлечения продуктов этих реагентов из добываемого сырья на конечной точке переработки.
Целью данного изобретения является уменьшение доли сжигаемого попутного нефтяного газа на факельной установке с использованием тепловой энергии факельной установки для повышения давления и температуры ПНГ для дальнейшей его транспортировки с остальным добываемым продуктом.
Предлагаемое изобретение использует принцип цикла Карно, при этом само изобретательское решение для специалистов с учетом сложившегося уровня техники не является очевидным. В прямом цикле Карно рабочее тело в виде газа изотермически, а затем адиабатически расширяется, после чего снова изотермически (при более низкой температуре), а затем адиабатически сжимается.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению 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 изобретательском 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.
Изобретение обеспечивает получение следующих технических результатов:
- снижение доли сжигаемого ПНГ на факельной установке;
- использование тепловой энергии факельной установки для повышения давления и температуры ПНГ с целью совместной транспортировки с добываемым продуктом;
- 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, увеличению дебита;
- снижение вредного воздействия на окружающую среду;
- снижение капитальных затрат на обустройство нефтегазовых месторождений.
Для осуществления данного способа утилизации ПНГ необходимо наличие следующих сооружений:
- факельный сепаратор;
- факельная установка;
- устройство сбора выхлопных газов;
- две рабочие камеры;
- емкость отстойник;
- свеча рассеивания.
Способ реализуется следующим образом: часть ПНГ с низким давлением отбирается из факельного сепаратора 1 и подается через впускной клапан в рабочие камеры 4, в которых происходит его сжатие, сопровождающееся повышением температуры продукта. Далее через выпускной клапан ПНГ, имеющий уже 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 используется 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 устроена следующим образом.
Рабочая камера разделена на два участка - нагреватель и холодильник. Внутри рабочей камеры между нагревателем и холодильником располагается подвижный поршень. 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 градусов.
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 поршня 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 происходит 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.
Использование данного способа 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 данного способа не требуется какого-либо существенного перевооружения действующих нефтегазодобывающих объектов и связанных с этим капитальных затрат.
Таким образом, предлагаемый способ утилизации ПНГ имеет ряд преимуществ.
1. Уменьшение количества сжигаемого ПНГ.
2. Снижение вязкости перекачиваемого продукта за счет смешения с горячим ПНГ.
3. Простота конструкции.
4. Возможность применения на действующих объектах.
5. Отсутствуют ограничения по физико-химическим свойствам ПНГ.
6. Применение на удаленных месторождениях в условиях полной автономности.
7. Уменьшение капитальных затрат за счет отсутствия необходимости в устройстве внешнего газопровода.
8. Возможность использования механической энергии вращения кривошипа для выработки электроэнергии.
9. Отсутствие необходимости в строительстве целого комплекса сооружений для подготовки и транспорта ПНГ.
10. Организованное рассеивание выхлопных газов от факельной установки на свече рассеивания, позволяющее снизить вредное воздействие на окружающую среду.
Список литературы
1. Патент РФ №96913. Герметизированная система сбора и подготовки продукции скважин.
2. Коршак А.А., Шаммазов А.М. Основы нефтегазового дела: Учебник для вузов. Издательство «Дизайн ПолиграфСервис», Уфа, 2002, 543 с.
3. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности» (утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 12 марта 2013 г. N 101).
4. Патент РФ №2442819. Способ работы устройства переработки попутных нефтяных газов.
5. Патент РФ №125191. Устройство переработки попутных нефтяных газов.
6. Патент РФ №2340841. Способ переработки попутного нефтяного газа и установка для его осуществления.