автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Совершенствование процессов подготовки и переработки высокосернистого газа и конденсата

Астраханский/научно - исследовательский и проектный институт газовой промышленности

На правах рукописи

Васько Юрий Павлович

Совершенствование процессов подготовки и переработки высокосернистого газа и конденсата (на примере Астраханского месторождения)

Специальность 05.17.07- Химическая технология топлива

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Б. Г. Берго;

кандидат технических наук В. Д. Щугорев

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................... 4

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР......................... 7

1.1. Классификация сернистых газов; системы их сбора и обработки....................................... 7

1.2. Подготовка сернистых газоконденсатных смесей к транспорту...................................... 9

1.3. Промысловая обработка высокосернистых газов...... 10

1.4. Общая характеристика Астраханского газоконденсат-ного месторождения (АГКМ)...................... 15

1.5. Состояние и основные направления развития АГКМ ... 15

1.6. Постановка основных задач исследования............ 23

Глава 2. ГИДРОДИНАМИКА ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА

ПРИ ТРАНСПОРТЕ ПРОДУКЦИИ СКВАЖИН НА АГПЗ........................................... 25

2.1. Основные понятия и характеристики................ 25

2.2. Гидравлическое сопротивление газожидкостного потока.......................................... 30

2.3. Исследование температурного режима работы продук-

топровода в условиях АГКМ....................... 39

2.4. Гидратообразование в условиях эксплуатации АГКМ . . 43

2.4.1. Исследование процессов гидратообразования системы "скважина - сепарационная установка" АГКМ........ 43

2.4.2. Методика расчета необходимого количества метанола для предотвращения гидратообразования в газокон-денсатопроводах................................. 49

2.4.3. Расчет необходимого количества метанола для предотвращения гидратообразования в газокон-денсатопроводе для условий АГКМ................ 51

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ СЫРЬЯ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

ЭКСПЛУАТАЦИИ АГКМ......................... 54

3.1. Исследование процесса сепарации пластовой смеси и разработка рекомендаций по усовершенствованию процесса........................................ 54

3.2. Изучение парообеспечения технологических процессов переработки сырья и его влияние на качественные показатели и надежность работы производства....... 80

3.3. Исследование работы отдельных аппаратов установок АГПЗ и разработка рекомендаций для повышения их эффективности.................................. 97

3.3.1. Повышение степени десорбции кислых компонентов из водных растворов диэтаноламина (ДЭА)............. 97

3.3.2. Натурное обследование аппаратов воздушного охлаждения (ABO)............................... 104

Глава 4. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ

ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ СЫРЬЯ АГКМ....... 108

4.1. Процесс сероочистки газов стабилизации конденсата . . 109

4.2. Процесс отбензинивания газов стабилизации......... 113

4.3. Процесс стабилизации конденсата по компонентам сероводород/пропан.............................. 116

4.4. Материальные и тепловые потоки в усовершенствованном процессе............................. 119

4.5. Оценка экономических показателей разработанной

технологии...................................... 121

ВЫВОДЫ..................................................................122

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...... 124

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................. 131

ВВЕДЕНИЕ

Неуклонный рост потребности народного хозяйства в нефти и газе удовлетворяется в настоящее время в основном за счет ввода в эксплуатацию новых глубокозалегающих месторождений, одним из которых является Астраханское газоконденсатное месторождение. Перспективами развития АГКМ до 2001 года предусмотрено добывать 12 млрд. нм3 газа в год с таким расчетом, чтобы устранить дефицит в жидких углеводородных топливах в объеме 1,5 млн.т ежегодно. Для этих целей предусматривается перспективное развитие ресурсной базы, что обеспечивается значительными запасами сырья в отложениях осадочного чехла на технически доступных глубинах. За период освоения и практической эксплуатации АГКМ накоплен богатый опыт разработки уникального по составу флюида месторождения и переработки этого флюида в товарный газ, техническую серу, моторные и котельные топлива. Одновременно выявились и недостатки имеющейся в настоящее время теоретической и практической базы эксплуатации подобных месторождений, одним из которых является невозможность регулировать состав флюида в зависимости от конъюнктуры рынка. В связи с распадом СССР резко сократилась потребность в технической газовой сере и одновременно возрос спрос на моторные и котельные топлива, что понизило эффективность работы комплекса в целом.

Разработка Астраханского газоконденсатного месторождения, начатая в 1987 году, выявила множество проблем практически на всех стадиях добычи, транспорта и переработки компонентов сырья. Эти проблемы, существенно осложняющие работу комплекса, потребовали проведения специальных исследований для разработки научно-обоснованных технических решений и рекомендаций. К числу этих проблем относятся:

- жесткая связь промысел-завод и рассогласованность режима работы этой системы: скважины -» установки предварительной подготовки газа (УШИ) -» промысловые газопроводы —> технологические установки завода;

- неравномерность поступления пластовой смеси на установку сепарации, что приводит к периодическим нарушениям режима на последующих установках переработки газа и конденсата; поступление с сырьем шлама в количествах превышающих возможности проектных узлов фильтрации и распространение этого шлама по всей цепочке переработки газового конденсата и пластовой воды;

- высокая энергоемкость технологических процессов переработки газа и существенный недостаток механической и тепловой энергии; производство работает в режиме крайней ненадежности, когда неполадки на одной из установок, производящих водяной пар, приводят к нарушению режима работы многих установок завода;

- недостатки в работе основного и вспомогательного оборудования (сепараторы пластовой смеси, абсорберы процессов аминовой очистки газа, котлы-утилизаторы производства серы, паровые котлы котельной завода, аппараты воздушного охлаждения, пароперегреватели пара среднего давления и др.); эти недостатки определяются как конструктивными недоработками, так и специфическими условиями эксплуатации оборудования на высокосернистом сырье АГКМ.

Выявленные в период освоения АГКМ проблемы требовали немедленного решения. Поэтому в первую очередь при освоении производства использовался опыт Оренбургского газоперерабатывающего завода (ОГПЗ). Однако проверенные и апробированные в производстве технические решения на ОГПЗ при переходе на условия работы АГКМ

требовали значительной доработки для получения необходимого положительного результата. Особые условия работы АГКМ требовали внесения существенных корректив в предложения и специалистов ведущих институтов газовой промышленности. Некоторые проблемы не могли быть решены известными технологическими приемами, требовали дополнительных лабораторных исследований и натурных испытаний. Технические решения, которые разработаны и внедрены в производство при непосредственном участии диссертанта, отражены в данной работе.

Глава!. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Классификация сернистых газов; системы их сбора и обработки

В зависимости от концентрации сернистых соединений в природных газах предлагают их условно подразделить на слабосернистые, малосернистые, сернистые и высокосернистые [1]. К слабосернистым относят газы, в которых содержание сероводорода и меркаптановой серы не превышает 20-36 мг/м3. Очистка таких газов от сероводорода не производится. Перед подачей в магистральные газопроводы эти газы обрабатывают с целью доведения их точки росы по воде и углеводородам до норм соответствующих ГОСТов.

К малосернистым относятся газы, при переработке которых для утилизации газов регенерации строительство установок производства серы является экономически не целесообразным. Целью переработки таких газов является доведение в них содержания сернистых соединений, углеводородов и воды до норм, предусмотренных соответствующими ГОСТами. Кислые газы, получаемые при регенерации поглотителей, как правило, сжигаются на факелах.

К сернистым следует относить газы, при переработке которых для утилизации газов регенерации строительство установок производства серы считается экономически целесообразным. К месторождениям с высоким содержанием сернистых соединений относятся такие, эксплуатация которых даже только для производства газовой серы является экономически целесообразной. К таким месторождениям относится АГКМ.

Анализ отечественных и зарубежных технологических схем обустройства сероводородсодержащих месторождений и переработки газа по характеру взаиморасположения газоперерабатывающего завода и установки комплексной подготовки газа позволяет выделить три системы:

- централизованная система подготовки и переработки газа, при которой на одной площадке совмещены промысловая и заводская обработка;

- децентрализованная система подготовки и переработки газа, при которой газ осушается от влаги на промплощадке и по газопроводам подается на газоперерерабатывающий завод;

- совмещенная система, при которой одна или две УШИ совмещаются с заводской частью, а на других газ обрабатывается по децентрализованной системе.

По централизованной системе обустроено Лакское месторождение (Франция), Астраханское (Россия). По децентрализованной системе обустроен ряд месторождений Канады, Франции, Западной Германии, Росии (Оренбургское). По совмещенной системе обустроено Шуртанское месторождение (Западный Узбекистан). Выбор технологической системы обустройства сероводородсодержащих месторождений зависит от ряда факторов, определяющими из которых являются:

- термодинамические параметры добываемой продукции - давление, температура;

- состав добываемой продукции; наличие конденсата, Н28, СО2 и других газов;

- возможность образования и осаждения элементарной серы;

- конфигурация месторождения;

- необходимость применения мероприятий по защите окружающей среды;

- близость крупных химических предприятий, транспортных узлов и внешних коммуникаций (электроэнергия, вода, пароснабжение и др.);

- наличие площадки, пригодной для строительства газохимического комплекса и т.д.

С экономической точки зрения предпочтительно применение централизованной системы обустройства, так как при этом снижается объем

строительно-монтажных работ на УППГ и газопроводах, транспортирующих осушенный сероводородсодержащий газ на ГПЗ. Однако применение такой системы возможно только при наличии крупных запасов сероводородсодержащего газа в газоносном пласте большой толщины и сравнительно малой площади.

1.2. Подготовка сернистых газоконденсатных смесей к транспорту

Технология подготовки к транспорту сернистых газоконденсатных смесей зависит от ряда факторов, основными из которых являются следующие:

- концентрация кислых компонентов в газе;

- возможность осаждения серы при добыче и обработке газа;

- концентрация тяжелых углеводородов в газе;

- технология очистки газа от кислых компонентов и извлечения тяжелых углеводородов из него в заводских условиях.

Наличие кислых компонентов в газе обуславливает применение оборудования и продуктопроводов в антикоррозионном исполнении и использование ингибитора для снижения скорости коррозии. Для предотвращения загрязнения окружающей среды и повышения надежности работы УППГ предусмотрено применение:

- специальных сталей, стойких к сероводородной и углекислотной коррозии;

- специальной технологии сварки, проверки качества труб, сварных швов и оборудования;

- герметичной системы добычи, сбора и транспорта;

- продувочной системы скважин;

- закрытой дренажной системы;

- автоматизированных систем ведения технологических процессов, систем защитной автоматики и аварийной остановки для правильного ведения технологических процессов;

- сигнализаторов наличия загазованности во всех взрывоопасных помещениях и на территории месторождения;

- специальных ингибиторов для защиты от общей коррозии;

- постоянный контроль и плановое техобслуживание оборудования промысла;

- электрохимическую защиту трубопроводов от коррозии и мероприятия по защите слоя почвы и естественных водоемов.

Малосернистые, сернистые и высокосернистые газы при транспортировке от промыслов до ГПЗ в присутствии воды вызывают интенсивную коррозию труб. Поэтому перед подачей в газопроводы предусмотрена осушка газа. Глубокая осушка таких газов на промысле не целесообразна, так как на установках очистки от кислых компонентов происходит их повторное увлажнение.

1.3. Промысловая обработка высокосернистых газов

При эксплуатации газоконденсатных месторождений по базовому варианту в период избыточного давления газ охлаждается на промысловых установках до (-Ю) (-20)°С. Длительность поддержания этой температуры зависит в основном от темпов отбора газа и устьевых параметров скважин. Этот период иногда составляет до 10 лет.

В период эксплуатации после заводских установок сероочистки с целью осушки и выделения тяжелых углеводородов газ подвергается охлаждению до низких температур с применением искусственного холода. При этом газ охлаждается до температур, что и на промысловых установках комплексной подготовки газа (УКПГ). В этих условиях из него практически не выделяются тяжелые углеводороды. С целью получения точки росы по

воде (-10)-~(-20)оС приходится использовать дорогостоящий искусственный холод.

В комбинированном варианте промысловой и заводской обработки газа добываемый газ на промысловых УКПГ подвергается низкотемпературной обработке весь период эксплуатации месторождения - сначала за счет дроссель - эффекта, а затем за счет использования искусственного холода. В этом случае на ГПЗ после установок сероочистки отпадает необходимость в низкотемпературной обработке газа.

Очистка природного газа от кислых компонентов в настоящее время осуществляется как правило на газоперерабатывающих заводах абсорбционным методом с использованием в качестве поглотителей водных растворов аминов. Наличие в составе пластовой смеси газоконденсатных месторождений сернистых соединений жидких углеводородов усложняет и удорожает процессы разработки, добычи и переработки газа, так как для максимального извлечения жидких углеводородов требуется поддержание пластового давления методом сайклинг-процесса, применение коррозионностойких материалов и необходимость дополнительных процессов (стабилизация, сероочистка, производство серы и т.д.). Кроме того, применяемые в настоящее время процессы оказывают негативное влияние на окружающую среду. Следует особо отметить, что использование неочищенного газа в сайклинг-процессе невозможно ввиду отсутствия компрессоров отечественного производства, способных сжимать сероводородсодержащий газ до давления закачки в пласт (-50 МПа).

В этой связи заслуживает особого внимания технология очистки газа непосредственно на промысле [2], которая решает следующие проблемы:

- очистка газа и конденсата на период сайклинг-процесса и вся переработка газа и конденсата, включая разделение газа на компоненты после окончания сайклинг - процесса, который осуществляется на УКПГ нового типа;

- удешевление сайклинг - процесса;

- отказ от транспорта сероводородсодержащих газа и конденсата до ГПЗ и обратно после его очистки на промысел;

- использование очищенного газа на собственные нужды промысла и исключение его подачи с завода;

- использование очищенного газа на газоснабжение сельских населенных пунктов, расположенных вблизи комплекса;

- создание на промысле более высокой технологии и повышение требований к квалификации обслуживающего персонала.

Кроме вышеперечисленных преимуществ, очистка газа на промысле будет иметь и социальное значение, так как появится возможность газифицировать все прилегающие к месторождениям районы, что сейчас не внедряется из-за высокой стоимости необходимых коммуникаций.

Традиционные технологии очистки высокосернистого природного газа имеют ряд существенных недостатков:

- при использовании в качестве поглотителей кислых компонентов аминов расходуется большое количество теплоты на регенерацию абсорбента; затруднено раздельное выделение сероводорода и диоксида углерода; система подвергается сильной коррозии;

- при стабилизации конденсата необходима компрессия больших объемов низконапорных газов и их дополнительная очистка от сероводорода.

Процесс очистки природного газа от сероводорода непосредственно на промысле можно осуществить на основе низкотемпературной абсорбции. Процесс основан на том, что сероводород хорошо ра�