Россия
В работе рассматривается проблема утилизации попутных нефтяных газов, получаемых в процессе добычи и подготовки нефти, оценивается экологический ущерб, варианты решения проблемы и приводятся рекомендации по выбору способа утилизации и переработки попутных нефтяных газов
попутный нефтяной газ, факельная установка, метод обратной закачки, газотурбинная генераторная установка
Попутный нефтяной газ представляет собой смесь газообразных углеводородов, растворенных в нефти, которые выделяются при ее добыче и подготовке. Попутный нефтяной газ по составу богаче природного газа. Это связано с тем, что помимо метана и этана в состав нефтяного газа входят пропан, бутан и другие углеводороды, молекулы которых содержат от одного до четырех атомов углерода. В России попутный нефтяной газ в настоящее время не нашел широкого эффективного применения по причине отдаленности большинства объектов нефтедобычи от газопотребляющей инфраструктуры. Поэтому на большинстве российских нефтепромыслов более 15 % попутного нефтяного газа ежегодно сжигается на факельных установках, факелы или "лисьи хвосты" – характерный элемент ландшафта большинства российских нефтепромыслов [1]. Известно, что утилизация нефтяного газа в факелах составляет примерно 1 % от всех мировых выбросов парникового углекислого газа. Подобная практика приводит не только к потерям огромных объемов ценного углеводородного сырья, но и к загрязнению атмосферы продуктами сжигания газа. Отказ от нее возможен благодаря нескольким вариантам решений.
Во-первых, использование технологии обратной закачки природного и попутного нефтяного газа в пласт [2, 3]. Метод обратной закачки может использоваться, когда при данном давлении и температуре газ и нефть в пласте будут находиться в двух разных фазах. В результате газ образует «газовую шапку» и проталкивает нефть в направлении промысловой скважины (рисунок 1). Метод обратной закачки может быть использован и в том случае, когда происходит растворение закачиваемого газа в нефти, при этом нефть становится менее вязкой. В результате углеводороды становятся более текучими, что упрощает их извлечение из скважины. Несмотря на это, экономические потери от неиспользованного газового сырья остаются огромными. Фактически в пласты закачивается уникальный по составу газ, способный послужить сырьем для производства многих товаров массового потребления, часть которых сейчас закупается за рубежом.
Рисунок 1 – Схема обратной закачки попутного нефтяного газа в пласт
Во-вторых, часть добываемого газа может перерабатываться промысловыми электростанциями в тепловую и электрическую энергию [4]. Например, использование в качестве собственного источника электроснабжения газотурбинных генераторных установок позволит автономно обеспечить электроэнергией удаленные и труднодоступные объекты. Схема простой газотурбинной установки (рисунок 2) включает компрессор (1), предназначенный для сжатия и подачи воздуха под давлением в камеру сгорания (2), в которую непрерывно поступает попутный нефтяной газ, прошедший отделение от жидкости в сепараторе. Сгорание топлива происходит непрерывно при постоянном давлении. Горячие газы, образовавшиеся в камере сгорания в результате сжигания топлива, поступают в сопла турбины (3) где расширяются и истекают на лопатки турбины, в результате внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Отработавшие газы после турбины выбрасываются в атмосферу. Кроме того, с целью увеличения кпд газотурбинной установки они могут быть использованы для нагрева в теплообменнике (не схеме не показан) воздуха, поступающего в камеру сгорания (2). Часть мощности, развиваемой газовой турбиной, расходуется на работу компрессора, а оставшаяся часть (полезная мощность) отдается потребителю. Поскольку газовая турбина работает только при наличии сжатого воздуха, получаемого от компрессора и приводимого во вращение турбиной, очевидно, что пуск газотурбинной установки должен осуществляться от постороннего источника энергии (турбодетандера, стартера). С его помощью компрессор раскручивают до тех пор, пока из камеры сгорания не начнет поступать газ определенных параметров и в количестве, достаточном для начала работы газовой турбины. Основным недостатком простой газотурбинной установки является невысокая ее эффективность, обусловленная тем, что на привод компрессора расходуется до 50-70 % мощности, развиваемой турбиной.
Воздух Отработанные газы
Рисунок 2 – Схема простой газотурбинной установки:
1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - газовая турбина; 4 – электрогенератор.
В настоящее время в газотурбинных генераторных установках в качестве первичного двигателя широко используют авиационные турбовальные двигатели, топливная система и камера сгорания которых специально переоборудована для использования попутного нефтяного или природного газа. Очень часто используются двигатели, что называется «с крыла», по той или иной причине списанные с полетов, что значительно удешевляет стоимость установки. Одним из главных преимуществ газотурбинных установок на базе конвертированных авиационных двигателей является их высокая эффективность. Такие установки имеют высокий тепловой КПД и способны работать на высоких оборотах, что позволяет получать больше энергии из одного двигателя. Кроме того, они имеют компактный дизайн, что облегчает их установку и эксплуатацию.
В-третьих, для утилизации и переработки попутного нефтяного газа используются комбинированные технологии, сочетающие закачку попутного нефтяного газа с его переработкой. Технология заключается в следующем: из пласта извлекается нефть вместе с растворенными и попутными газами; из газа отделяется конденсат и часть осушенного газа сжигается на электростанции для получения электроэнергии, а образующиеся выхлопные газы закачиваются в газоконденсатную шапку для повышения нефтеотдачи пластов.
В-четвертых, наиболее эффективным способом утилизации попутного нефтяного газа считается использование его в качестве сырья для производства полимеров. Из нефтяных газов путем химической переработки получают пропилен, бутилены, бутадиен и другие вещества, которые используются в производстве пластмасс и каучуков. Полезным может быть опыт Иркутской нефтяной компании, реализующей собственную газовую программу, суть которой состоит в расширении возможностей переработки добываемых в Иркутской области углеводородов в противовес их экспорту в другие страны. Благодаря высокому содержанию этана, природный и попутный нефтяной газ Ярактинского и Марковского месторождений перспективно будет использоваться компанией для производства этилена и полиэтилена.
Выбор конкретного варианта переработки и утилизации попутного газа зависит от размера и характеристик месторождения нефти [5]. Для средних месторождений оптимально подходит создание нефтехимической продукции на газоперерабатывающем заводе. Для крупных – электрогенерация в больших масштабах для последующей продажи энергии.
1. Подоплелов, Е.В. Анализ эффективности работы факельного сепаратора высокого давления / Е.В. Подоплелов, С.А. Щербин, А.А. Глотов // Современные технологии и научно-технический прогресс. – 2022. – № 9. – С. 41-42.
2. Суворов, А.Н. Повышение эффективности нефтегазоводоразделителя / А.Н. Суворов, Е.В. Подоплелов, А.И. Дементьев // Современные технологии и научно-технический прогресс. – 2019. – Т 1. – С. 88-89.
3. Щербин, С.А. Технологический расчет и оценка эффективности факельного сепаратора высокого давления компрессорной станции Сузунского месторождения / С.А. Щербин, Е.В. Подоплелов, А.И. Дементьев // Вестник Ангарского государственного технического университета. – 2018. – № 12. – С. 130-135.
4. Подоплелов, Е.В. Расчет длины зоны сепарации гравитационного газового сепаратора / Е.В. Подоплелов, А.И. Дементьев, Р.Д. Лойко // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. – 2024. – № 21. – С. 136-139.
5. Подоплелов, Е.В. Моделирование факельного сепаратора высокого давления / Е.В. Подоплелов, А.И. Дементьев, Р.Д. Качан К.П. // Вестник Ангарского государственного технического университета. – 2024. – № 18. – С. 95-101.
