автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Совершенствование технологических схем сепарации нефти и сбора нефтяного газа на поздней стадии разработки нефтяных месторождений

АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ТАТНЕФТЬ" Татарский научно-исследовательский и проектный институт нефти

На правах рукописи

ШАТАЛОВ АЛЕКСЕИ НИКОЛАЕВИЧ

УДК 622.276.8+665.622

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ СЕПАРАЦИИ НЕФТИ И СБОРА НЕФТЯНОГО ГАЗА НА ПОЗДНЕЙ СТАДИИ РАЗРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 05.15.06 - Разработка и эксплуатация нефтяных

и газовых месторождений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.П.Тронов

Бугульма - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................5

I. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ СЕПАРАЦИИ И

СБОРА НЕФТЯНОГО ГАЗА НА ПРОМЫСЛАХ....................10

1.1. Современные технологические схемы и процессы в

области сепарации продукции скважин...........................10

1.2. Загруженность промысловых компрессорных станций при утилизации нефтяного газа (на примере АО "Татнефть")... 24 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОДО-НЕФТЯНЫХ СМЕСЕЙ В ПРОМЫСЛОВЫХ АППАРАТАХ ..32 2.1. Исследование влияния технологических факторов на процесс разделения газоводонефтяных смесей в конце-

вых сепараторах.............................................................32

2.1.1. Влияние традиционной технологии сепарации

на качество разделения фаз .............................32

2.1.2. Зависимость сепарационных свойств эмульсий

от обводненности..................................................39

2.1.3. Оценка влияния газосодержания и природы газовой фазы на сепарационные свойства эмульсий ....46

2.2. Исследование концевых делителей фаз в качестве совмещенных устройств предварительной подготовки продукции скважин...................................................................49

2.3. Исследование возможности использования газированной жидкости для повышения эффективности сепарации на КСУ в схемах с негерметизированными резервуарами ...61

2.4. Оптимизация давлений сепарации на концевых ступенях

в схемах, включающих резервуары с системой УЛФ......66

2.5. Исследование процессов разделения продукции скважин

в промысловых резервуарах сырой нефти......................73

1-

2.5.1. Изучение особенностей процесса разделения газово-донефтяной смеси в промысловых резервуарах......73

2.5.2. Исследование влияния газосодержания нефти на

ее обезвоживание в сырьевых резервуарах УПС ....80

2.5.3. Оценка воздействия процесса сепарации на обезвоживание нефти в промысловых резервуарах предварительного сброса воды.........................................93

2.6. Выводы..........................................................................96

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ СЕПАРАЦИИ И УТИЛИЗАЦИИ НЕФТЯНОГО ГАЗА, ВКЛЮЧАЮЩИХ РЕЗЕРВУАРЫ С СИСТЕМОЙ УЛФ...........99

3.1. Технологическая схема сепарации продукции скважин с использованием в качестве подпитывающего агента резервуаров газированной жидкости..............................99

3.2. Исследование особенностей технологических схем сепарации и утилизации низконапорного газа с КСУ и резервуаров установками УЛФ..............................................105

3.3. Методика подбора режимных параметров совмещения процессов сепарации и предварительного обезвоживания нефти в сырьевых резервуарах УПС при совместной утилизации низконапорного газа установками УЛФ.........118

3.4. Выводы........................................................................ 122

4. ПРОМЫСЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА СЕПАРАЦИИ, ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ НЕФТИ И УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОНАПОРНОГО ГАЗА..........124

4.1. Общая характеристика промыслового объекта.............124

4.2. Промысловые испытания совмещенной технологии сепарации, предварительного обезвоживания нефти и утилизации низконапорного газа установками УЛФ..............126

4.3. Технико-экономическая оценка эффективности совмещенной технологии сепарации, предварительного обезвоживания нефти и утилизации низконапорного газа... 130

4.4. Выводы........................................................................134

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.............................................135

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................137

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................152

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Особенностью разработки основных нефтяных месторождений России в последние годы является снижение добычи нефти и нефтяного газа, сопровождающееся прогрессирующим обводнением продукции скважин во времени. Для сохранения высокого уровня добычи нефти в разработку вовлекаются краевые части залежей вязких пенистых нефтей, обработка которых в общем объеме добываемой продукции вызывает определенные осложнения в работе нефтепромыслового оборудования, в частности установок первичной и концевой сепарации. В этих условиях для обеспечения требуемого качества разделения и достижения необходимой производительности объектов сепарации неизбежно использование большого числа дорогостоящих аппаратов значительного суммарного объема, что увеличивает металлоемкость этих объектов.

В связи с постоянным снижением добычи попутного газа все в большей степени уменьшается загруженность существующих компрессорных станций (КС), осуществляющих перекачку низконапорного нефтяного газа. Дозагрузка промысловых КС газом высокого давления ведет к нерациональному использованию мощностей компрессоров и неоправданно излишним энергетическим затратам. Замена существующих компрессоров на машины меньшей производительности является, как правило, временной мерой и не исключает необходимости использования их подпитки от сторонних источников.

С герметизацией промысловых резервуарных парков с помощью установок улавливания легких фракций (УЛФ) нефти решена важная задача сокращения потерь газообразных углеводородов из резервуаров, но в целом это пока не изменило технологии ступенчатой сепарации нефти и утилизации низконапорного нефтяного газа. Более то-

го, двухступенчатое компримирование легких фракций, отбираемых из резервуаров, установкой УЛФ, а затем существующей КС также нельзя признать рациональным с точки зрения эксплуатационных затрат.

Несмотря на это, именно с внедрением установок УЛФ появилась реальная возможность совершенствования технологических схем сепарации и утилизации низконапорного нефтяного газа за счет более полного использования единицы мощности и объема существующего технологического оборудования на основе совместимых по времени и режиму процессов. Поэтому исследования, позволяющие реализовать эту возможность, и разработка мероприятий, направленных на решение вышеуказанных проблем, представляются весьма актуальными.

Цель работы. Разработка и совершенствование технологических схем сепарации и утилизации низконапорного нефтяного газа, позволяющих эффективно использовать объемы и мощности существующего нефтепромыслового оборудования.

Основные задачи исследований.

1. Промысловые исследования эффективности работы нефтепромыслового оборудования по сепарации нефти и утилизации нефтяного газа.

2. Исследование особенностей разделения газожидкостных смесей при сепарации на поздней стадии разработки нефтяных место-

_ ч*

рождении.

3. Определение оптимальных параметров разделения газожидкостных смесей в аппаратах концевых ступеней сепарации (КСУ).

4. Разработка технологических методов повышения эффективности сепарации продукции скважин на КСУ.

5. Определение допустимых параметров совмещения процессов сепарации и предварительного обезвоживания нефти в промысловых резервуарах.

6. Разработка вариантов совмещенных технологических схем сепарации и утилизации низконапорного нефтяного газа.

7. Разработка методики расчета и подбора режимных параметров совмещения процессов сепарации, предварительного обезвоживания нефти и утилизации низконапорного нефтяного газа.

Научная новизна:

- выявлены особенности сепарации продукции скважий и определено влияние основных факторов на процесс разделения газожидкостных смесей на поздней стадии разработки нефтяных месторождений;

- определено влияние технологических параметров на эффективность работы совмещенных устройств по сепарации и обезвоживанию нефти в трубном исполнении;

- разработана методика подбора оптимальных значений давлений на концевых ступенях сепарации;

- предложены зависимости, позволяющие определять время всплытия эмульсионных пенных элементов в водной и нефтяной зонах совмещенных аппаратов резервуарного типа;

- выявлены закономерности разделения нефти и воды в межфазной зоне промысловых резервуаров УПС в условиях барботирования ее газом;

- определены условия и параметры совмещения процессов сепарации и предварительного обезвоживания нефти в сырьевых резервуарах;

- разработана методика расчета и подбора режимных параметров сепарации, предварительного обезвоживания нефти и утилизации низконапорного газа с КСУ и резервуаров установками УЛФ.

Защищаемые положения.

1. Результаты экспериментальных исследований процессов разделения газожидкостных смесей на поздней стадии разработки нефтяных месторождений.

2. Технология сепарации продукции скважин и утилизации низко-

напорного нефтяного газа с подачей перед КСУ и резервуарами газированной углеводородной жидкости.

3. Совмещенная технология сепарации, предварительного обезвоживания нефти и утилизации низконапорного газа установками УЛФ из резервуаров.

4. Методика расчета и подбора режимных параметров сепарации и обезвоживания нефти в промысловых резервуарах при совместном сборе низконапорного газа с КСУ и резервуаров установками УЛФ.

Практическая ценность.

На основе выполненных исследований разработаны:

- технология сепарации продукции скважин для объектов, содержащих негерметизированные резервуары (патент РФ № 2090239);

- технология сепарации и утилизации низконапорного газа установками УЛФ с использованием в качестве подпитывающего агента газированной жидкости (патенты РФ №№ 1648531, 1662613, 1769719, 1820841);

- совмещенная технология сепарации, предварительного обезвоживания нефти и утилизации низконапорного газа (а.с.СССР № 1489800, патент № 1648531).

Предложена методика оценки и выбора оптимальных значений давлений на концевых ступенях сепарации.

Предложена методика расчета и подбора режимных параметров сепарации и обезвоживания нефти в промысловых резервуарах при совместном сборе низконапорного газа с КСУ и резервуаров установками УЛФ.

Реализация работ в промышленности.

1. Разработанная совмещенная технология сепарации, предварительного обезвоживания нефти и сброса пластовой воды из промысловых резервуаров, включающая утилизацию низконапорного газа из них установкой УЛФ без использования автономной компрессорной

станции внедрена на УПН-2 НГДУ "Бавлынефть" АО "Татнефть" и УППН-5 НГДУ "Чернушканефть" ОАО "ЛУКойл-Пермнефть" с экономическим эффектом более 300,0 тыс. руб. на объект.

2. Технология предварительной подготовки продукции скважин с использованием концевых делителей фаз (КДФ) внедрена на семи объектах АО "Татнефть" с фактической прибылью за 1997-1998 гг. 990,7 тыс. руб.

3. Методика расчета и подбора режимных параметров совмещенного процесса сепарации, предварительного обезвоживания нефти при утилизации низконапорного газа из промысловых резервуаров использована при разработке технологии первичной подготовки нефти на пункте сбора и учета нефти ОЭНГДУ "Татнефтебитум" при ДНС-4с НГДУ "Нурлатнефть" АО "Татнефть".

4. Разработаны и выданы рекомендации по совершенствованию технологических схем первичной подготовки нефти и утилизации низконапорного нефтяного газа при реконструкции промысловых объектов НГДУ "Альметьевскнефть", НГДУ "Азнакаевскнефть", НГДУ "Джа-лильнефть" АО "Татнефть".

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ТатНИПИнефть- 1986, 1990 гг., ПО "Татнефть"- 1987 г., ПермНИПИ-нефть- 1986 г., ВНИИСПТнефть- 1986 г., на Всесоюзном совещании по проблемам охраны окружающей среды в нефтяной промышленности в г.Уфе- 1989 г., на заседании секции Ученого совета института ТатНИПИнефть- 1998 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, получено 6 авторских свидетельств (патентов) на изобретение.

Объем работы. Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста и состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы 132 наименований, содержит 41 рисунок и 17 таблиц.

I. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ СЕПАРАЦИИ И СБОРА НЕФТЯНОГО ГАЗА НА ПРОМЫСЛАХ

1.1. Современные технологические схемы и процессы в области

сепарации продукции скважин

В нефти в пластовых условиях всегда содержится определенное количество растворенного газа, переходящего в свободную фазу при снижении давления ниже давления насыщения. Сепарация газа от нефти начинается, как правило, в стволе скважины, по длине колонны труб и продолжается в промысловых трубопроводах и технологических аппаратах (сепараторы, отстойники, резервуары и т.д.)

Интенсивность выделения газа, качество нефти, объем и чистота газа, отделяющегося от нефти при сепарации, определяются свойствами нефти и газа, их соотношением, рабочим давлением и температурой процесса, конструктивными особенностями сепараторов, временем нахождения смеси в них, гидродинамикой потока и степенью предварительного разделения системы на нефть и газ /106/, а также количеством применяемых ступеней сепарации /61/.

Основными требованиями, предъявляемыми к процессу сепарации, являются приведение газожидкостной системы к равновесному фазовому состоянию в сепараторах и полное отделение газа от жидкости при заданных давлении и температуре и наименьших затратах при условии качественного разделения газожидкостной смеси, отвечающего современным требованиям (минимальный унос капель нефти газом и газа жидкостью) при оптимальном времени пребывания ее в сепараторах.

Технологические схемы ступенчатого разгазирования нефти, применяемые в различных нефтяных регионах страны, мало отлича-

ются друг от друга. Основное отличие может состоять лишь в наборе сепарационного оборудования, конструктивном его исполнении и в методах воздействия на продукцию скважин в зависимости от физико-химических свойств сепарируемых газожидкостных смесей и сложившейся схемы сбора и транспорта нефти.

Характерной особенностью разработки нефтяных месторождений на поздней стадии являются снижение добычи нефти и попутного газа, прогрессирующее обводнение продукции скважин во времени, рост концентрации химических реагентов в добываемой нефти и увеличение в связи с этим вязкости среды, что способствует образованию водонефтяных эмульсий различной структуры и отрицательно сказывается на работе нефтепромыслового оборудования.

Лабораторными и промысловыми исследованиями /2,53/ сепара-ционных установок установлено, что при работе с вязкими эмульсионными нефтями уменьшается их пропускная способность и ухудшается качество сепарации. Эти вопросы детально изучены и достаточно полно освещены в работах /1,3,5,85,86,90/, выполненных в институтах ВНИИСПТнефть и ТатНИПИнефть.

Выявлены следующие особенности сепарации высокообводнен-ных нефтей:

- вода замедляет массообмен и диффузию легких компонентов нефти и тем самым отрицательно влияет на рост пузырьков, поэтому с ростом обводненности замедляется процесс разгазирования нефти;

- пузырьки газа при подъеме в эмульсии многократно сталкиваются с каплями воды, что изменяет траекторию их движения и существенно увеличивает время всплытия ;

- часть пузырьков газа в концентрированной обратной эмульсии защемляются каплями воды и подъем их прекращается;

- абсорбционные силы взаимодействия между поверхностными слоями газовых пузырьков и капель воды способствуют возникнове-

нию флотации, при которой скорость подъема пузырьков будет определяться соотношением веса пузырьков и капель воды и может принимать отрицательное значение;

- при подаче газожидкостной смеси в зону сепаратора, расположенную ниже границы раздела фаз "нефть-вода", поднимающиеся газовые пузырьки увлекают в слой эмульсии воду в виде шлейфов, что ведет к образованию множественной эмульсии.

Суммарное действие рассмотренных факторов начинает проявляться при обводненности нефти 30-40%. При дальнейшем росте концентрации водной фазы до 60-80% наблюдается резкое увеличение вязкости и влияние структурных свойств водонефтяной эмульсии, что приводит к снижению пропускной способности сепарационных установок и увеличению уноса свободного газа потоком жидкости.

При сепарации пенистых обводненных нефтей из-за наличия в продукции скважин стабилизаторов эмульсии (смолы, асфальтены, парафины, нафтеновые кислоты) процесс удаления газа из смеси еще более сложен и крайне затруднителен /5,96/. Сепараторы в этом случае снабжаются пеногасящими отбойниками и коалесцирующими сетками и пластинами различной формы, либо используются антипенные присадки/78,103,125/.

Для снижения вредного влияния водной фазы на процесс выделения газа