Исследования и статистический анализ сырьевой базы ООО «Газпром переработка» в Западной Сибири

ОБЗОРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

УДК 622.27

А.Г. Касперович, Е.В. Боровков, М.В. Овсянкин, Л.А. Шиллинг, Ю.В. Мамонтова, Н.Л. Циглер

Исследования и статистический анализ сырьевой базы ООО «Газпром переработка» в Западной Сибири

Жидкие углеводороды, добываемые на северных газоконденсатных и нефтегазокон-денсатных месторождениях ПАО «Газпром» в Тюменской области, направляются для переработки на мощности Уренгойского завода по подготовке конденсата к транспорту (ЗПКТ) и Сургутского завода по стабилизации конденсата (ЗСК), эксплуатируемые ООО «Газпром переработка». Для планирования и перспективного развития, анализа эффективности технологии и т.п. необходима информация о составах и физико-химических свойствах поступающего сырья. При этом ввиду краткосрочных и долгосрочных изменений объемов поставок, ввода в эксплуатацию новых месторождений, изменений составов и свойств добываемого сырья в процессе разработки газоконден-сатных залежей требуется наличие перечисленных данных не только по принимаемому на заводы смесевому сырью, но и по отдельным сырьевым потокам конденсата и нефти, отгружаемым с каждого месторождения и промысла.

В связи с этим в Обществе с участием ООО «ТюменНИИгипрогаз» организован ежегодный мониторинг сырьевой базы с последующей аналитической и прогнозной оценкой. ООО «ТюменНИИгипрогаз» выполняет: отбор проб сырьевых потоков; исследование детальных компонентно-фракционных составов (КФС) проб и физико-химических свойств (ФХС) узких фракций (псевдокомпонентов); систематизацию, статистический анализ и обобщение полученной экспериментальной информации; прогноз изменения составов конденсатов в динамике разработки месторождений [1]. Конечной целью этой работы является формирование исходных данных для моделирования процессов транспорта и переработки сырья на мощностях ООО «Газпром переработка», выполняемого в инженерно-техническом центре Общества для решения задач планирования, производственного анализа, реконструкции и перспективного развития.

Обобщение, анализ и систематизация данных ведутся не только по месторождениям, но и по видам поступающего сырья (валанжинский и ачимовский конденсаты, нефть нефтяных оторочек газоконденсатных месторождений, сеноманский газовый конденсат), что позволяет до некоторой степени унифицировать расчетные схемы и создаваемые по ним модели транспорта и переработки углеводородного сырья (УВС). Необходимо отметить, что наряду со стандартным инструментарием экспериментальных исследований и моделирования составов и свойств сырьевых потоков используются и оригинальные авторские разработки. Прежде всего, это методики:

• определения КФС нестабильных жидких углеводородов (НЖУ) с разгазирова-нием проб при постоянных давлении и температуре;

• определения и моделирования ФХС узких фракций - псевдокомпонентов НЖУ: плотности, вязкости, температуры застывания, молярной массы.

На методику определения КФС НЖУ в ООО «ТюменНИИгипрогаз» разработан собственный нормативный документ СТО 02-04-2009, который также используется и в ООО «Газпром переработка» (центральной заводской лабораторией Уренгойского ЗПКТ). В стандарте организации реализован ряд оригинальных методических

Ключевые слова:

углеводородное сырье,

компонентно-фракционный состав,

физико-химические свойства, усреднение, систематизация.

Keywords:

hydrocarbon feedstock,

component-fractional

composition,

physical & chemical

properties,

averaging,

systematization.

решений, обеспечивающих максимально возможную в настоящее время точность определений. Отметим, что разгазирование проб НЖУ при постоянных давлении и температуре применяется только в ООО «ТюменНИИгипрогаз» за счет использования специального гидравлического пресса. Основные преимущества такой методики заключаются в возможности раз-газирования части пробы НЖУ (для сокращения времени анализа и объема газа дегазации) и выполнения контрольных расчетов объемов и составов, выделяющихся при разгазировании газа дегазации и стабильных (дегазированных) жидких углеводородов (СЖУ), поскольку постоянство давления и температуры обеспечивает и постоянство составов равновесных фаз.

К уникальным авторским решениям следует отнести и процедуру детализации составов и свойств наиболее тяжелой части НЖУ на основе моделирования распределения углеводородов остаточных фракций по температурам кипения, осуществляемую по критерию схождения расчетной плотности смоделированного тяжелого остатка с экспериментально полученным значением. Дополнительным условием при этом является постоянство (или небольшое монотонное изменение) группового состава тяжелых псевдокомпонентов, критерием которого может служить стабильность значения, рассчитываемого по плотности и температуре кипения фракций характеристического фактора Ватсона, широко представленного в литературе (например, [2]), или его аналогов. В результате в КФС НЖУ идентифицируются узкие фракции с нормальными температурами кипения до 600-700 °С (для тяжелых ачимовских конденсатов), а применительно к нефти и с более высокими температурами кипения. При этом данная процедура не базируется на чистом моделировании, а имеет под собой экспериментальную основу - результаты исследования составов и свойств фракций тяжелых остатков на специально спроектированной и изготовленной собственными силами установке глубоковакуумной разгонки с четкостью разделения в одну теоретическую тарелку до эквивалентных нормальных температур кипения порядка 700 °С. Методика определения и моделирования свойств узких фракций и методика детализации составов и свойств тяжелых фракций НЖУ до настоящего времени не представлены в нормативных документах.

Следует отметить, что никто кроме ООО «ТюменНИИгипрогаз» системно не проводит работу по определению и моделированию свойств узких фракций. При ее выполнении используется ряд оригинальных авторских решений. Прежде всего, это метод каскадных раз-гонок. Поскольку особенностью составов конденсатов является экспоненциальное падение содержания фракций (по мере увеличения их температур кипения, что собственно следует из условий формирования газоконден-сатных залежей и наличия аномальных ретроградных явлений фазовых переходов при высоких давлениях), при проведении фракционных разгонок на лабораторных ректификационных установках объемы собираемых для последующих исследований ФХС узких фракций резко падают. Для обеспечения отбора необходимого для проведения исследований объема проб в ООО «ТюменНИИгипрогаз» практикуются каскадные разгонки: атмосферные, сред-невакуумные и глубоковакуумная. При этом остатки атмосферной разгонки объединяются для проведения средневаккуумных, а остатки средневаккумных - для проведения глубоковакуумной. Количество каждой из разгонок определяется соотношением выделяемых при них объемов фракций и планируется таким образом, чтобы отобрать все фракции до наиболее тяжелых в необходимых для исследований ФХС количествах.

Не обходится определение ФХС узких фракций и без моделирования, поскольку такие свойства, как плотность и вязкость, при стандартной температуре (20 °С) чисто экспериментально можно определить лишь для фракций с температурами кипения не выше 300-350 °С. Далее требуется либо определять эти свойства при более высоких температурах с последующим пересчетом, либо использовать различного рода корреляции. Что касается молярных масс, то все известные экспериментальные методы по точности уступают расчетным корреляциям. Поэтому в ООО «ТюменНИИгипрогаз» создана специализированная расчетная платформа для комплексной обработки результатов экспериментальных исследований ФХС узких фракций, по итогам которой выдаются унифицированные согласованные массивы свойств псевдокомпонентов (пока на основании экспертных оценок). В перспективе предполагается разработать специальные методические рекомендации.

Достоверность выполняемых исследований сырьевой базы подтверждает приемлемое соответствие между фактическими показателями производственных процессов и рассчитываемыми по моделям выходами и показателями качества продуктов переработки. Сопоставление расчетных и фактических величин проводится для актуализации используемых моделей, контроля и обеспечения их адекватности реальным схемам и условиям переработки. С этой целью практикуется периодическое выполнение адаптационных расчетов по рабочим моделям в режиме расчетно-технологического мониторинга. Для уже завершившихся временных периодов (год, квартал, месяц) на моделях просчитываются балансы переработки и показатели качества потоков сырья и продукции Уренгойского ЗПКТ и Сургутского ЗСК при суммарных объемах поставок сырья и усредненных за период КФС сырьевых потоков и ФХС их компонентов.

Результаты расчетов сравниваются с усредненными измеряемыми режимными параметрами процессов, данными аналитического контроля потоков и определяемыми по приборам

учета выходами продуктов технологических установок. Конечной задачей такого расчета является достижение максимально возможного схождения по всему комплексу сравниваемых показателей. При этом, безусловно, учитываются значимость показателей, частота и точность их измерений и определений. Актуализированные таким образом модели становятся «прозрачными» с точки зрения определения степени их соответствия конкретным параметрам и показателям производств, что весьма важно для оценки вероятной достоверности прогнозных расчетов.

В качестве примера такого анализа на рис. 1 представлены результаты сопоставления расчетных и фактических объемов выхода продуктов установок стабилизации и первичной переработки Сургутского ЗСК за один из временных периодов. Очевидно, что для большинства потоков эти отклонения находятся в пределах 1-2 %, а в целом не превышают 5 %, что характеризует весьма высокую степень достоверности расчетов. Разброс режимных параметров и показателей качества несколько выше, но применительно к наиболее

Рис. 1. Относительные отклонения по модулю фактических объемов выхода продуктов установок стабилизации и первичной переработки Сургутского ЗСК от рассчитанных по моделям: СК - стабильный конденсат; УСК - установка стабилизации конденсата; ШФЛУ - широкая фракция легких углеводородов; СГ - сбросной газ; К - колонна; КубК 1, -3 - кубовый продукт колонны 1, 3; УМТ - установка для получения моторного топлива; БИИ - блок извлечения изопентана; УПП - узел получения пропана; ПГФ, ИПФ, ПБФ, БФ, ПФ - фракции соответственно пентан-гексановая, изопентановая, пропан-бутановая, бутановая, пропановая

важным укладывается в пределы 5-10 % (графической интерпретации здесь не приводится ввиду очень большого объема такой информации).

При этом необходимо отметить достаточно высокую сложность расчетной схемы формирования сырья Сургутского ЗСК в комплексе балансовых моделей ООО «Газпром переработка». Схема включает полный балансовый расчет Уренгойского ЗПКТ с поставкой семи различных сырьевых потоков и выработкой для реализации восьми товарных продуктов. Далее основной продукт Уренгойского ЗПКТ - деэтанизированный конденсат (ДК) -смешивается в конденсатопроводе Уренгой-Сургут с нефтью Уренгойского месторождения и ДК Западно-Таркосалинского месторождения

и поступает на Сургутский ЗСК для стабилизации и переработки. В этой смеси присутствует сырье трех различных типов: валан-жинский, ачимовский газовые конденсаты и нефть нефтяных оторочек газоконденсатных месторождений.

Для расчета КФС смесевого сырья Сургутского ЗСК используются экспериментально полученные в ООО «ТюменНИИ-гипрогаз» КФС девяти различных сырьевых потоков, а также усредненные и систематизированные за 15 лет исследований ФХС узких фракций трех различных типов сырья. Отсутствие существенных ошибок в этих исходных данных подтверждается высоким уровнем соответствия расчетных и фактических

6 22

0

а

2 20

£

1С18

116

я

Л

-е 14

х

1 12

! 10 |8 В 6 £ 4

Л

и1 1 « 2 о

° 0

1 1 1 — валанжинский конденсат — ачимовский конденсат — нефть

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Температура кипения, °С

Рис. 2. Распределение компонентов сырьевых потоков в бензиновой фракции НК-120 °С

Рис. 3. Распределение компонентов сырьевых потоков в керосиновой фракции 120-240 °С

балансовых показателей (см. рис. 1), что является прямым подтверждением достаточно высокого качества экспериментальных исследований сырьевой базы ООО «Газпром переработка».

За более чем 10-летний период этой работы собран, систематизирован и проанализирован большой объем информации, выявлены некоторые закономерности и тенденции. Прежде всего, интересно отметить устойчиво повторяющиеся закономерности распределения компонентов основных типов сырьевых потоков по температурам кипения (рис. 2-4). Явно присутствующие волнообразные изменения связаны с изменением содержания нормальных алканов по фракциям. Отмечается высокая степень подобия общих принципов

распределения компонентов (фракций) различных типов сырья при различных темпах изменения их концентраций. Такие закономерности дают основание для создания модели «генератор составов», которая могла бы позволить более точно формировать исходные данные по КФС пластовых флюидов для проектирования разработки новых месторождений с данными или сходными типами залежей.

Представляют интерес также тенденции распределения потенциалов базовых фракций в различных типах сырья (рис. 5): можно отметить их вполне закономерное принципиальное отличие для конденсатов (валанжинский ярус, ачимовская свита) и нефти.

с; 20

1 1 1 — валанжинский конденсат — ачимовскии конденсат — нефть

ч ^ л,

х1

о4

18

116

з

£14

й £ 12

О

! 10 &

2 8

и

N

^ л

& 4 о

° 2

240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340

Температура кипения, °С

Рис. 4. Распределение компонентов сырьевых потоков в дизельной фракции 240-340 °С

8 80

§

£ 70

валанжинскии конденсат ачимовский конденсат нефть

60

л

50

£ 40 &

«

30

20 10 0

С1-С2

С3-С4

С-140 °С

140-240 °С 240-340 °С 340+ °С Рис. 5. Содержание базовых фракций в различных типах добываемого сырья

Анализ результатов экспериментальных исследований физико-химических свойств узких фракций различных месторождений, выполняемых в ООО «ТюменНИИгипрогаз» более 15 лет, не выявляет каких-либо принципиальных существенных изменений этих показателей в процессе разработки месторождений, что дает основание проводить их усреднение и систематизацию, причем даже не по отдельным месторождениям (хотя, конечно, и по ним отмечаются некоторые не очень существенные особенности), а по типам добываемого сырья. Обработанные таким образом экспериментальные (а также смоделированные на их основе для тяжелых фракций) данные по плотности,

температурам застывания и вязкости представлены соответственно на рис. 6, 7 и 8.

Особое место в характеристиках сырьевой базы занимают содержание серы и ее распределение по фракциям. Данная информация необходима для контроля содержания серы как в смесевом сырье, так и в сырье процессов вторичной переработки - риформинга бензиновых фракций и каталитической депарафинизации дизельных и керосиновых погонов. Для получения информации о содержании серы в течение трех лет в ООО «ТюменНИИгипрогаз» в рамках исследования сырьевой базы проводилось комплексное изучение микросодержания серы во всех действующих сырьевых потоках

650

1 1 1 1 — валанжинский конденсат — ачимовский конденсат — нефть

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Температура кипения, °С

Рис. 6. Плотности узких фракций различных типов добываемого сырья

0 80

О

1 60

а

I 40 ! 20

й ^

if 0 Л 1 -20 £ -40 -60

валанжинскии конденсат • ачимовский конденсат > нефть

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Температура кипения, °С

Рис. 7. Температуры застывания узких фракций различных типов добываемого сырья

^1000 1а

¡2 950

о о

2 900 850 800 750 700

ООО «Газпром переработка». Результаты исследований проанализированы, обработаны и систематизированы по типам добываемого сырья. На их основе построена расчетная модель, позволяющая оценить содержание серы в любом потоке Уренгойского ЗПКТ и Сургутского ЗСК и любом выделяемом при переработке сырья погоне.

Сводная информация, обобщенная по содержанию серы во фракциях различных типов сырья, приведена на рис. 9.

В последние три года благодаря выполненной в ООО «ТюменНИИгипрогаз» методической работе в объеме исследований сырьевой

)104

базы получены сведения о содержании индивидуальных нормальных парафинов в составе сырьевых потоков и их распределении по псевдокомпонентам - узким фракциям. Методика, не требующая дополнительных исследований, заключается в параллельном определении КФС и содержания нормальных парафинов путем обработки хроматограмм.

В настоящее время применительно к содержанию нормальных парафинов накоплен объемный массив экспериментальных данных, что позволило систематизировать их по типам добываемого сырья (рис. 10). На графике не прослеживается строго детерминированных

1 1 1 1 — валанжинский конденсат — ачимовский конденсат — нефть

103

102

^ 101

а

«10° 10-

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Температура кипения, °С

Рис. 8. Вязкости узких фракций различных типов добываемого сырья

100

X1

о4

iff 10-

« 10-

о

О

10-

10-4

валанжинский конденсат

ачимовский конденсат

тл—лД

iJJJrilllll

линии

оо оооооооо

о о оооооооо

о

I

о"

с

о о ^г

Т ГГ Т

г -Г ° °

U с

оо

Т

(N (N m m m

1111л

О О О О А

^Т ОО ^Т 00

Рис. 9. Содержание серы в базовых фракциях различных типов добываемого сырья

О О О о о О О О О о О

о о о о о о о о О о О

о О О о о О О О О О О

г> О О 00 ^Т 1П

1 '—1 '—1 '—1 т СО т оп

о" 1 о" о 1 о о о о о О Л Л

с о 00 00

с '—1 '—1 '—1 '—1

Рис. 10. Содержание нормальных парафинов в базовых фракциях различных типов добываемого сырья

корреляций и тенденций изменения содержания парафинов в зависимости от типа добываемого сырья, однако для фракций с температурами кипения выше 100 °С можно констатировать более низкое содержание нормальных алканов в нефтяном сырье. Максимальное содержание нормальных алканов отмечается для конденсатов ачимовских отложений. При этом распределение нормальных парафинов по температурам кипения достаточно равномерное (исключая наиболее легкую часть вплоть до температур кипения порядка 100 °С) с максимумами в области керосино-дизельных фракций.

Полученная информация активно используется в производственной деятельности ООО «Газпром переработка»: на ее основе посредством моделей собственной разработки выполняется объемный комплекс расчетов для обоснования производственных планов, проработки вариантов оптимальной загрузки и перспективного развития мощностей переработки и транспорта, а также предынвестиционные и предпроектные расчеты.

Выявленные тенденции и закономерности также могут быть использованы при анализе эксплуатации месторождений, для совершенствования методов моделирования пластовых флюидов

и фазовых переходов при проектировании разработки месторождений. В частности, отмеченные закономерности распределения фракций и нормальных парафинов по температурам кипения для разных типов залежей возможно применять для генерации подробных составов пластовых флюидов на базе ограниченного объема прямых экспериментальных данных.

Экспериментальные исследования и выявляемые на их основе закономерности распределения нормальных алканов по фракциям добываемого сырья могут послужить основой для разработки уточненных методов определения групповых составов фракций с целью реализации более универсальных подходов к расчетам ФХС добываемого сырья и процессов его промысловой подготовки и переработки.

Список литературы

1. Касперович А. Г. Балансовые расчеты при проектировании и планировании переработки углеводородного сырья газоконденсатных

и нефтегазоконденсатных месторождений / А.Г. Касперович, Р.З. Магарил. - М.: Книжный дом «Университет», 2008. - 411 с.

2. Катц Д. Л. Руководство по добыче, транспорту и переработке газа / Д. Л. Катц, Д. Корнелл,

Р. Кобаяши и др. - М., 1965. - 676 с.