Разработка технологического оборудования для промысловой подготовки аномально высоковязких нефтей

Современное состояние и развитие нефтяной промышленности во многих странах мира, в том числе СНГ характерно прогрессирующим ростом объемов добычи застывающих, тяжелых и высоковязких нефтей. Повышенный интерес в мире к таким нефтям вызван открытием и вводом в разработку месторождений с геологическими запасами сырья, исчисляемыми десятками млрд. тонн. В этой связи нефтедобывающие отрасли многих стран в ближайшее время и, в особенности, в перспективе будут в значительной мере ориентированы на промышленную разработку залежей таких аномальных нефтей.

К основным регионам, в которых открыты крупные промышленные запасы высоковязких нефтей и битумов в СНГ, относятся Башкортостан, Татарстан, Удмуртия, Республика Коми, Казахстан и др.

Согласно классификации предложенной в [7, 62] высоковязкие нефти подразделены на три группы. Первую группу составляют нефти с вязкостью 30 100 мПа-с, вторую 100−500 мПа-с и третью выше 500 мПа-с. При этом интервалы изменений плотности нефтей по названным группам соответствуют 834−929, 882−955 и выше 934 кг/м3.

Среди стран мира доля Казахстана по запасам нефти в 1998 году составила 2,1%. Имеющиеся запасы нефти, при условии сохранения уровня производства и потребления 1998 года, Казахстану хватит на 115 лет. По этому показателю Казахстан занимает одно из первых мест в мире [46].

Добыча нефти в республике Казахстан в 2003 году составила 45,3 миллионов тонн. Из года в год растут объемы добычи углеводородного сырья. Вводятся в эксплуатацию нефтяные промысла с высоковязкой и неньютоновской нефтью. В числе таких месторождений является Сазанкурак.

Месторождение Сазанкурак расположено на территории Атырауской области Республики Казахстан, в 150 км западнее областного центра г. Атырау.

Доразведка месторождения, создание фонда эксплуатационных скважин и работы по обустройству начаты в 1999 году.

Пробная эксплуатация нефтяных скважин показала, что нефти юрского и мелового горизонтов месторождения являются аномально высоковязкими, с содержание смол и асфальтенов до 20%.

Опыта промысловой подготовки нефтей с характеристиками по вязкости л.

560 мПа-с при 20 °C и плотностью 0,912 г/см на месторождениях Эмбы в Казахстане не было.

Высоковязкие нефти на месторождениях Казахстана в основном подвергались подготовке к транспортировке по трубопроводу на нефтеперерабатывающие заводы [29, 36, 37, 59, 60,64, 65].

Реализация сырой неподготовленной нефти на Атырауский нефтеперерабатывающий завод по низким ценам не обеспечивала самодостаточность производства.

Повышение показателей качества подготавливаемой нефти до товарной кондиции, рациональное использование сырьевых и топливно-энергетических ресурсов связано с применением прогрессивных технологических процессов, аппаратуры и оборудования с высокой функциональной эффективностью.

Поэтому комплексные исследования физико-механических свойств эмульсий, нефтей и пластовых вод, разработка и научно-обоснованный выбор технологического оборудования с целью создания функциональной блок-схемы установки подготовки нефти месторождения Сазанкурак приобрели особую актуальность.

Успешное решение поставленных задач возможно лишь на основе использования достижений науки и техники в областях подъема, сбора и промысловой подготовки нефти, газа и водыконструирования и технологии изготовления аппаратуры и оборудованияосуществления физико-химических технологических процессов, направленных на получение продукции высоких товарных кондиций.

Весомый вклад в этих областях внесли ученые отраслевых институтов г. Москвы, республик Татарстан, Башкортостан, Казахстанлабораторий и кафедр ВУЗов (Российского государственного университета нефти и газа им. И.М.

Губкина, Уфимского государственного нефтяного технического университета) и других научных центров России и СНГ.

Результаты теоретических, экспериментальных, опытно-промышленных и проектно-конструкторских работ в вышеназванных отраслях науки отражены в трудах Тронова В. П., Лутошкина Г. С., Каспарьянца К. С., Лобкова Л. М, Максутова Р. А., Маринина Н. С., Гумерова А. Г., Кузмака Е. М., Никифорова А. Д., Бакиева А. В., Султанова Б. З., Ишмурзина А. А. и др.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с государственными научно-техническими программами на 2002;2004 годы «Машиноведение, конструкционные материалы и технологии», «Нефтегазовый комплекс Башкортостана».

Цель работы,. Промысловая подготовка нефти до высшей группы качества путем научно-обоснованного оснащения оборудованием технологической схемы и усовершенствования конструктивных элементов основных аппаратов.

Задачи исследований.

1. Исследование физико-химических свойств нефти и определение ее се-парационных свойств.

2. Анализ существующего состояния технологии и техники промысловой подготовки нефти.

3. Расчетно-конструкторские работы по модернизации отстойной аппаратуры установки подготовки нефти.

4. Разработка новой функциональной блок-схемы установки подготовки нефти.

Для реализации поставленной цели и решения сформулированных актуальных задач выполнены следующие виды работ.

Исследованы исходные компонентные составы, физико-химические и се-парационные свойства нефтей, необходимых для научно-обоснованного выбора технологического оборудования и аппаратуры и назначения их оптимальных эксплуатационных параметров. Этому предшествовал литературный обзор, посвященный данной проблеме.

Выполнен анализ научных работ и технологий, посвященных промысловой подготовке нефтей вообще, аномально высоковязких в частности.

Описана существующая технологическая схема подготовки нефти, смонтированная на промысле Сазанкурак, приведены ее недостатки, обоснована необходимость разработки новой технологической схемы и ее аппаратурного оформления.

Разработана модернизированная технологическая схема промысловой подготовки нефти и ее компоновка оборудованием и аппаратурой на основе выполненных технологических, теплотехнических и механических расчетов.

Сформулированы следующие основные выводы и результаты.

Нефти месторождения Сазанкурак юрского и меловых горизонтов являются аномально высоковязкими. Физико-химические свойства нефти характеризуются высоким содержанием смол и асфальтенов, а также неорганических соединений в виде хлористых солей, сульфатов и соединений железа, мехпри-месей, являющихся природными стабилизаторами водонефтяных эмульсий. Высокая минерализация пластовой воды предопределяет, что эмульсия при обессоливании должна подвергаться глубокому обезвоживанию в несколько стадий — до и после промывки пресной водой.

Первоначально принятая технология, ориентированная на использование западного оборудования не обеспечивала стабильной работы установки подготовки нефти. Центрифуга LEO не обеспечивает проектную производительность по выходу товарной нефти и не гарантирует заданного качества нефти. Основное оборудование отличается дороговизной, требует частых ремонтов. Более предпочтительной для нефтей подобного типа является емкостная отстойная аппаратура.

Разработана и внедрена в производство модернизированная функциональная блок-схема установки подготовки нефти, в состав которой входят: концевой делитель фаз, сепаратор нефтегазовый, насосная для перекачки нефти, отстойник нефти горизонтальный, комплект трубной обвязки с запорной предохранительной арматурой, средствами автоматизации, контроля и регулированияэлектродегидратор с устройством размыва осадков мехпримесейблок подготовки пластовой воды, автоматизированная система управления. Для перечисленных элементов характерна технологическая взаимосвязанность осуществляемых на них процессов.

Личное участие автора в получении результатов диссертации.

Путем обобщения литературных источников по промысловой подготовке продукции скважин с ньютоновскими свойствами, а также имеющихся сведений сбора и подготовки высоковязких нефтей сформулировал цели и задачи диссертационной работы.

Для исследований комплекса физико-механических свойств нефтей месторождения Сазанкурак подготовил образцы, анализировал и обобщил результаты экспериментов для разработки принципиальной технологической схемы подготовки нефти, а также перечня основного технологического оборудования и аппаратуры.

Выполнил теплотехнические, гидравлические расчеты по выбору технологического оборудования, активно участвовал в монтаже, пуско-наладке, изучении показателей качества товарной нефти, доведении их до требований высшей группы качества.

Оснастил узел отстойника коалесцирующим устройством.

Внес предложение и реализовал в натуре отбойное устройство нового типа в емкостном отстойнике нефти. Упростил внутренние конструкции серийных отстойников ОБН, ОГ-200П, ОГ-200С без ухудшения функциональных характеристик и улучшения свойств ремонтопригодности.

Научная новизна.

1. Осуществлен синтез оборудования и аппаратуры, взаимное расположение которых в пространстве позволяет реализовать на них технологически связанные между собой процессы промысловой подготовки нефти, имеющей аномально высоковязкие свойства.

2. Используя результаты моделирования процессов гравитационного отстоя выполнены конструктивные изменения внутренней начинки напорного горизонтального отстойника нефти путем снабжения его входным устройством и выходными распределительными коллекторами, обеспечивающими эффективное использование объема аппарата за счет выравнивания эпюры скоростей по сечению и длине емкости.

3. Выполнен расчет размерных параметров входного торцевого отражателя отстойника нефти, имеющего форму сферического сегмента, базируясь на теоретические положения использования энергии свободной затопленной струи.

4. Определены размерные параметры коалесцирующего устройства перед отстойником нефти, интенсифицирующего процесс водоотделения путем гидродинамического воздействия на эмульсию с помощью регулярной проволочной насадки, подтвержденное расчетами для описания коагуляции дисперсных систем.

Практическая ценность.

Внедрение выполненных научно-технических и технологических разработок на месторождений Сазанкурак позволили вывести установку подготовки нефти на стабильный режим работы. Определены эксплуатационные параметры основного оборудования по давлению, температуре, времени протекания процесса, составлены материальный и тепловой балансы в зависимости от физико-химических и сепарационных свойств эмульсий, нефтей и пластовых вод. Использование коалесцеров и конструктивные изменения отстойника нефти, усовершенствование ряда технологических процессов позволили получать качественную товарную нефть с параметрами превышающими экспертные требования. При исходной обводненности нефти 70% и концентрации солей 120 000 162 000 мг/литр содержание воды в подготовленной нефти снижено до 0,3−0,5%, хлористых солей — до 25−40 мг/литр, а мехпримесей — 0,05%.

Применение российских технологий и оборудования позволили снизить эксплуатационные затраты и предотвратить резкий переход на западные технологии.

Апробация работы.

Результаты научных исследований докладывались на: второй научно-технической конференции «Новые разработки в химическом и нефтяном машиностроении» (Уфа, 2002 г.);

IV конгрессе нефтегазопромышленников России (Уфа, 2003 г.) — научно-практической конференции «Новое оборудование для нефтяных и газовых промыслов» (Туймазы, 2003 г.) — научной конференции «Вклад науки в реальный сектор экономики» (Уфа, 2003 г.) — республиканской научно-технической конференции «Инновационные проблемы машиностроения в Башкортостане» (Уфа, 2003 г.);

2-ой Международной научно-технической конференции «Новоселовские чтения» (Уфа, 2004 г.);

Всероссийской научно-практической конференции «Реновация: отходытехнологии — доходы» (Уфа, 2004 г.);

Научно-практической конференции «Современное состояние процессов переработки нефти» (Уфа, 2004 г.).

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, включает список литературы из 66 наименований. Изложена на 103 страницах. Основное содержание опубликовано в семи печатных научных трудах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Нефти месторождения Сазанкурак юрского и меловых горизонтов являются аномально высоковязкими. Физико-химические свойства нефти характеризуются высоким содержанием смол и асфальтенов, а также неорганических соединений в виде хлористых солей, сульфатов и соединений железа, мехпримесей, являющихся природными стабилизаторами водонефтяных эмульсий. Высокая минерализация пластовой воды предопределяет, что эмульсия при обессоливании должна подвергаться глубокому обезвоживанию в несколько стадий — до и после промывки пресной водой.

2. Первоначально принятая технология, ориентированная на использование западного оборудования не обеспечивала стабильной работы установки подготовки нефти. Центрифуга LEO не обеспечивает проектную производительность по выходу товарной нефти и не гарантирует заданного качества нефти. Основное оборудование отличается дороговизной, требует частых ремонтов. Более предпочтительной для нефтей подобного типа является емкостная отстойная аппаратура.

3. Разработана и внедрена в производство модернизированная функциональная блок-схема установки подготовки нефти, в состав которой входят: концевой делитель фаз, сепаратор нефтегазовый, насосная для перекачки нефти, отстойник нефти горизонтальный, комплект трубной обвязки с запорной предохранительной арматурой, средствами автоматизации, контроля и регулированияэлектродегидратор с устройством размыва осадков мехпримесейблок подготовки пластовой воды, автоматизированная система управления. Для перечисленных элементов характерна технологическая взаимосвязанность осуществляемых на них процессов.

4. Выполнена модернизация внутренних устройств горизонтального емкостного отстойника нефти. Оснащение его входным торцевым отражателем, имеющего форму сферического сегмента позволили:

— резко снизить скорость потока внутри отстойника (более чем в 300 раз);

— сократить протяженность возмущенного потока после отражателя;

— совместная работа входных и выходных коллекторов, отсутствие внутренних перегородок обеспечивают горизонтальное движение потока в ламинарном режиме, что позволяет эффективное использование объема аппарата за счет выравнивания эпюры скоростей по сечению и длине емкостной части отстойника.

5. Базируясь на теоретические положения для описания коагуляции дисперсных систем, перед горизонтальным емкостным отстойником нефти установлено коалесцирующее устройство с внутренней начинкой в виде регулярной металлической насадки, интенсифицирующей процесс водоотделения путем гидродинамического воздействия на эмульсию. Обвязка коалесцеров позволяет обеспечить возможность их использования при последовательном и параллельном режимах их подключения для обезвоживания нефти в отстойнике до необходимой степени.

6. Внедрение выполненных научно-технических и технологических разработок на месторождении Сазанкурак позволили вывести установку подготовки нефти на стабильный режим работы. Использование коалесцеров и конструктивные изменения отстойника нефти, усовершенствование ряда технологических процессов позволили получать качественную товарную нефть с параметрами превышающими экспортные требования. При исходной обводненности нефти 70% и концентрации солей 120 000−162 000мг/литр содержание воды в подготовленной нефти снижено до 0,3−0,5%, хлористых солей до 25−40 мг/литр, а мехпримесей — 0,05%.

Улучшено качество подготовленной до требований ГОСТ подтоварной воды, закачиваемой при минимальных давлениях бОатм. в нагнетательные скважины.

Уменьшено количество остаточного растворенного газа в нефти, что позволило продлить эксплуатацию технологических и товарных резервуаров.

Применение российских технологий и оборудования позволили снизить эксплуатационные затраты и совместить эксплуатацию российского и западного оборудования для подготовки товарной нефти высшей категории.

Заключение

.

1. Обессоливание исходной нефти достигается при добавлении пресной воды не менее 10% от исходного обрабатываемого объема.

2. При обработке промежуточного слоя через магнитную установку результат процесса обессоливания улучшается (содержание хлористых солей до 10 мг/л).

3. Наиболее эффективными реагентами являются Реапон 4 В и Дауфакс ДВ-02.