CC BY
107
--© В.Д. Лапшин, А.Н. Гульков,
A.A. Морозов, В.В. Слесаренко,
B.C. Власенко, 2014
УДК 553.982
В.Д. Лапшин, А.Н. Гульков, А.А. Морозов, В.В. Слесаренко, B.C. Власенко
УТИЛИЗАЦИЯ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА ЗА СЧЕТ СИНТЕЗА ФИШЕРА - ТРОПША, СОВМЕЩЕННОГО С НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕХНОЛОГИЕЙ КОНВЕРСИИ СИНТЕЗ-НЕФТИ В УГЛЕВОДОРОДНУЮ ГИДРАТСОДЕРЖАЩУЮ СИСТЕМУ
Утилизация попутного нефтяного газа пластовой нефти с экстремально высоким газовым фактором является серьезной проблемой нефтяной отрасли. В настоящее время разработана технология утилизации попутного нефтяного газа посредством его конверсии в синтетическую нефть за счет синтеза Фишера - Тропша. В рамках представленной работы предложено дополнить синтез Фишера - Тропша низкотемпературной конверсией синтез - нефти в низкотемпературную гидратсодержащую дисперсную систему.
Ключевые слова: утилизация, нефтяной газ, синтез Фишера - Тропша, парафины, трубопроводный транспорт, суспензии, низкотемпературные технология
Утилизация попутного нефтяного газа (ПНГ) является одной из важнейших задач, стоящих в настоящее время перед нефтегазовой отраслью РФ. В 2013 г., при валовой добыче ПНГ в 70 млрд. м3, в РФ было сожжено в факелах более 16 млрд. м3 [1], что определяет актуальность утилизации ПНГ двумя аспектами — экономическим и экологическим. При этом следует обратить внимание, что доля утилизации ПНГ в развитых странах - США, Канаде, Норвегии составляет 99 -100 % [2].
Технологии трубопроводного транспорта попутного нефтяного газа (ПНГ) совместно с нефтью совершенствовались на протяжении многих лет [3], однако все они имели недостаток, проявляющийся в образовании парогазовых пробок в потоке газонасыщенной нефти и, как следствие, в отказе трубопроводных систем в целом [4]. В настоящее время активно развиваются направления, связанные с переводом ПНГ в жидкую
фазу, что позволяет устранить парогазовые пробки в трубопроводах.
В качестве наиболее рационального способа конверсии ПНГ в жидкость следует назвать синтез Фишера-Тропша (ФТ), который благодаря разработкам ученых Ф. Фишера и Г. Тропша, получил развитие в начале 30-х годов прошлого столетия в Германии [5,]. В основу способа была положена каталитическая конверсия низших углеводородов (С1-С4) в различные продукты, включая синтез-нефть (СН) низкой вязкости.
Промысловые технологии на основе синтеза ФТ позволяют подвергать весь ПНГ конверсии в СН, с последующим смешением ее с дегазированной природной нефтью ( ПН)[6].
Последние достижения в области синтеза ФТ позволили резко снизить энергетические затраты на его реализацию в промысловых условиях за счет применения высокоэффективного теплообменного оборудования, позволяющего использовать тепловую энергию экзотермической реакции синтеза ФТ [7].
В отношении эффективности промысловой технологии синтеза ФТ следует отметить, что СН содержит в своем составе воду и парафины. Парафины неизбежно будут выпадать на холодной поверхности трубопроводов при ее традиционном способе транспортировки в подогретом состоянии [8], а воду необходимо отделить от нефти в условиях промысла, что сделает ее существенно дороже.
В связи с этим целесообразно смесь СН с природной нефтью конвертировать в низкотемпературную углеводородную гидратсодержащую систему (УГДС), посредством охлаждения холодильной машиной под соответствующим давлением [9, 10].
Низкотемпературная технология транспортировки нефти впервые позволяет организовать трубопроводный транспорт пластовой нефти из районов добычи на перерабатывающие заводы в состоянии тонкодисперсной суспензии, при температуре близкой к 0 оС [9,]. Суть технологии заключается в превращении пластовой жидкости, при ее охлаждении до 0 оС и ниже, в тонкодисперсную суспензию, обладающую высокими транспортными свойствами, дисперсной фазой кото-
рой, являются микрочастички парафинов и газовых гидратов. Данная технология позволяет не только сохранить ПНГ в составе пластовой нефти за счет его связывания с пластовой водой в гидрат, но и снизить затраты на промысловую переработку за счет исключения процесса ее обезвоживания, дегазирования и удаления из оборота дорогостоящих и экологически опасных протекторов гидратообразования.
Схема установки подготовки пластовой нефти перед ее закачиванием в промысловый нефтепровод, разработана норвежским научно исследовательским институтом SINTEF, при содействии британской нефтегазовой компании British Petroleum [11].
ПН, поступившая из устья скважины, проходит следующую обработку перед отправкой на перерабатывающий завод: в сепараторе обводнение ПН снижается до 10-30 %, в диспергаторе ПН превращается в тонкодисперсную эмульсию, в реакторе в тонко дисперсную УГДС, за счет конверсии глобул воды в частицы гидрата [12].
Для повышения кинетики процесса гидратообразования в реактор возвращается часть потока газогидратной суспензии, газогидратные частицы которой, выполняют функцию центров зарождения новой газогидратной фазы.
Следует заметить, что именно кинетика процессов, как гидратообразования, так и диссоциации, является лимитирующим фактором развития данной технологии. Низкая кинетика фазовых превращений системы «вода - гидратообра-зователь» обусловлена аномально низкой теплопроводностью газовых гидратов, которая ниже теплопроводности водного льда в 5 раз, и при этом, что характерно, не зависит от природы гидратообразователя [13]. По этой причине в настоящее время исследователями предпринимаются попытки снизить влияние аномально низкой теплопроводности на кинетику фазовых превращений системы «вода — гидратообра-зователь». К наиболее перспективному направлению следует отнести снижение тепловой массивности, как образующихся, так и разлагающихся газогидратных фрагментов. Известно, что при снижении тепловой массивности объектов до определенных значений числа Био, интенсивность теплообмена, которая определяет кинетику, как гидратообразования, так и разложения, не зависит от теплопроводности объекта. Ос-
нованный на данном физическом эффекте способ повышения кинетики фазовых превращений системы «вода — гидра-тообразователь», позволяет существенно повысить эффективность описанного выше способа утилизации ПНГ [14, 15].
Охлаждение ПН обеспечивается теплообменником, представляющим собой закольцованный стальной неизолированный трубопровод, проложенный в придонном слое морской воды, имеющей температуру около +5 °С. Таким образом обеспечивается конверсия ПН из смеси нефти, воды и крупных фрагментов парафинов в тонкодисперсную УГДС, обладающую высокими транспортными свойствами.
Представленная технология позволит добиться:
• устранения затрат на тепловую изоляцию и подогрев трубопроводов;
• исключения газогидратных и парафиновых пробок в трубопроводах;
• снижения эксплуатационных и капитальных затрат на промысловую переработку нефти;
• снижения техногенного воздействия на биосферу, за счет исключения из оборота экологически опасных хим. реагентов;
• снижения эмиссии СО2 в окружающую среду за счет утилизации факельных газов (ПНГ);
• снижения количества персонала на нефтепромыслах;
• повышения надежности промысловых систем.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. «Национальный доклад Российской Федерации о кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов» // Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). - Москва, 2012.
2. Gudmundsson J. Produced and Processed Natural Gas. TPG4140 NATURGASS. 2012.
3. Жуйко П. В. Разработка принципов управления реологическими свойствами аномальных нефтей: Диссертация доктора техн. наук. - Ухта, 2003. - 199 с.
4. Akpabio M. Cold flow in long-distance subsea pipelines. NTNU. 2013.
5. Долинский С.Э., Лапидус А.Л., Тонконогов Б.П., Лукшо В.А., Медведев Ю.В., Тонкович А.Л.. Установки «Мини-GTL» для переработки ПНГ малых и средних месторождений. ООО «Газохим Техно». 2011.
6. Ермолаев B.C., Мордкович Б.З., Соломоник И.Г., Деревич И.В., Синева Л.В., Митберг Э.Б. Способ получения синтетических жидких углеводородов и реактор для проведения синтеза Фишера-Тропша. ООО «Инфра Текнолоджиз Лтд». 2006.
7. Tonkovich A.L., Jarosch K., Fitzgerald S., Yang B., Kilanowski D., McDaniel J., Dritz T. MicroChannel Gas-to-Liquids for Monetizing Associated and Stranded Gas Reserves. Velocys, Inc., 7950 Corporate Blvd., Plain City, Ohio 43064, USA. Oxford Catalyst Group. 2011.
8. Singh P., Venkatesan R., Fogler S. Formation and Aging of Incipient Thin Film Wax-Oil Gels. Dept. of Chemical Engineering, University of Michigan. 2000.
9. Гульков A.H., Лапшин В.Д., Лебедев A.H., Никитина А.В., Вася-нович Ю.А. Низкотемпературный трубопроводный транспорт попутного газа совместно с нефтью.// Нефть и газ. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал)- 2013. С. 34-45.
10.Method and apparatus for a cold flow subsea hydrocarbon production system. WO 2006068929 A1. S. Balkanyi. 2006.
11. Gudmundsson, J.S. Method for production of gas hydrates for transportation and storage. U.S. Patent 5,536,893, 16 July 1996.
12. Craig J. Taylor, Kelly T. Miller, Carolyn A. Koh, E. Dendy Sloan. Macroscopic investigation of hydrate film growth at the hydrocarbon/water interface. Proceedings of the 6th International Conference on Gas Hydrates (ICGH). 2008.
13.Истомин В.А., Якушев B.C. Газовые гидраты в природных условиях. М.: Недра, 1992. — 235 с.
14.Гульков А.Н., В.Д.Лапшин. Патент RU 2496048. Способ доставки природного газа потребителю.
15.Гульков А.Н., Лапшин В.Д. Сохранение попутного нефтяного газа за счет рациональной технологии промысловой переработки пластовой нефти..// Нефть и газ. Горный информационно-аналитический бюллетень ( научно-технический журнал)- 2013. С. 26-35. ДИН
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Гульков Александр Нефедович — доктор технических наук, профессор, alexdvgtu@mail.ru,
Дальневосточный федеральный университет, Инженерная школа, Лапшин Виктор Дорофеевич — cryolab@mail.ru, Морозов Алексей Андреевич — ассистент,
Дальневосточный федеральный университет, Инженерная школа.
UTILIZATION OF ASSOCIATED PETROLEUM GAS BY FISCHER — TROPSCH SYNTHESIS, COMBINED WITH THE LOW-TEMPERATURE CONVERSION OF SYNTHESIS OIL HYDROCARBON HYDRATE TECHNOLOGY
GulkovA.N., Doctor of Technical Sciences, Professor, alexdvgtu@mail.ru, Far Eastern Federal University, school of Engineering, Lapshin V.D., cryolab@mail.ru, MorozovA.A., Assistant,
Far Eastern Federal University, School of Engineering.
Utilization of associated petroleum gas reservoir oil with extremely high GOR is a serious problem of the oil industry. Currently developed the technology of utilization of associated petroleum gas through its conversion into synthetic oil by Fischer — Tropsch synthesis. As part of the work presented a request to add the Fischer — Tropsch synthesis of the low-temperature conversion — the low-temperature oil hydrate dispersion system.
Key words: Utilization, petroleum gas, Fischer - Tropsch waxes, paraffin, pipeline transport, suspension, low-temperature technology.
REFERENCES
1. «Nacional'nyj doklad Rossijskoj Federacii o kadastre antropogennyh vybrosov iz istochnikov i absorbcii poglotiteljami parnikovyh gazov» // Federal'naja sluzhba po gid-rometeorologii i monitoringu ok-ruzhajushhej sredy (Rosgidromet). Moscow, 2012.
2. Gudmundsson J. Produced and Processed Natural Gas. TPG4140 NATURGASS. 2012.
3. Zhujko P.V. Razrabotka principov upravlenija reologicheskimi svojstvami anomal'-nyh neftej: (The development of management principles rheological properties of abnormal oil) Dissertacija doktora tehn. nauk. Uhta, 2003, 199 p.
4. Akpabio M. Cold flow in long-distance subsea pipelines. NTNU. 2013.
5. Dolinskij S.Je., Lapidus A.L., Tonkonogov B.P., Luksho V.A., Medvedev Ju.V., Tonko-vich A.L.. Ustanovki «Mini-GTL» dlja pererabotki PNG malyh i srednih mestorozhdenij. OOO «Gazohim Te-hno». 2011.
6. Ermolaev V.S., Mordkovich V.Z., Solomonik I.G., Derevich I.V., Sineva L.V., Mit-berg Je.B. Sposob poluchenija sinteticheskih zhidkih uglevodorodov i reaktor dlja provede-nija sinteza Fishera-Tropsha. OOO «Infra Teknolodzhiz Ltd». 2006.
7. Tonkovich A.L., Jarosch K., Fitzgerald S., Yang B., Kilanowski D., McDaniel J., Dritz T. Microchannel Gas-to-Uquids for Monetizing Associated and Stranded Gas Reserves. Velocys, Inc., 7950 Corporate Blvd., Plain City, Ohio 43064, USA. Oxford Catalyst Group. 2011.
8. Singh P., Venkatesan R., Fogler S. Formation and Aging of Incipient Thin Film Wax-Oil Gels. Dept. of Chemical Engineering, University of Michigan. 2000.
9. Gul'kov A.N., Lapshin V.D., Lebedev A.N., Nikitina A.V., Vasjanovich Ju.A. Nizkotem-peraturnyj truboprovodnyj transport poputnogo gaza sovmestno s neft'ju.// Neft' i gaz. Gornyj informa-cionno-analiticheskij bjulleten' (nauchno-tehnicheskij zhurnal). 2013, pp. 34-45.
10. Method and apparatus for a cold flow subsea hydrocarbon production system. WO 2006068929 A1. S. Balkanyi. 2006.
11. Gudmundsson, J.S. Method for production of gas hydrates for transportation and storage. U.S. Patent 5,536,893, 16 July 1996.
12. Craig J. Taylor, Kelly T. Miller, Carolyn A. Koh, E. Dendy Sloan. Macroscopic investigation of hydrate film growth at the hydrocarbon/water interface. Proceedings of the 6th International Conference on Gas Hydrates (ICGH). 2008.
13. Istomin V.A., Jakushev B.C. Gazovye gidraty v prirodnyh uslovijah (Gas hydrates in nature). Moscow, Nedra, 1992, 235 p.
14. Gul'kov A.N., V.D.Lapshin. Patent RU 2496048. Sposob dostavki prirodnogo gaza potre-
bitelju.
15. Gul'kov A.N., Lapshin V.D. Sohranenie poputnogo neftjanogo gaza za schet racional'noj tehnologii promyslovoj pererabotki plastovoj nefti..// Neft' i gaz. Gornyj informacionno-analiticheskij bjul-leten' ( nauchno-tehnicheskij zhurnal). 2013, pp. 26-35.
