Разработка комплекса технологических решений по очистке газов от сероводорода при эксплуатации и освоении скважин: на примере малосернистых углеводородных газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.17, доктор технических наук Шестерикова, Раиса Егоровна

• Шестерикова, Раиса Егоровна
• доктор технических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор технических наук Шестерикова, Раиса Егоровна

Введение.

1 Особенности разработки газовых и газоконденсатных месторождений углеводородных газов с наличием сероводорода.

1.1 Изучение состояния разработки газовых и газоконденсатных месторождений с наличием сероводорода.

1.1.1 Проблемы, возникающие при разработке месторождений природных газов с наличием сероводорода и диоксида углерода.

1.1.2 Влияние токсичных сернистых соединений, содержащихся в углеводородных газах, на природную среду.

1.2 Анализ существующих методов очистки газа от сероводорода.

1.2.1 Щелочные методы очистки газа от сероводорода.

1.2.2 Использование органических растворителей для очистки газа от сероводорода.

1.2.3 Способы очистки газов от сероводорода с образованием малорастворимых в воде сульфидов.

1.2.4 Адсорбционные методы очистки газов от сероводорода.

1.2.5 Окислительные методы очистки газа.

1.2.6 Особенности очистки малосернистых газов при высоких концентрациях диоксида углерода.

1.2.7 Энергетические критерии при выборе метода очистки газа от сероводорода.

1.3 Сероводород природного газа - потенциальное сырье химических производств.

1.3.1 Производство серы из сероводорода, полученного при очистке природного газа.

1.3.2 Технологии переработки сероводорода природных газов.

1.3.3 Перспективная технология переработки сероводорода в серную кислоту.

2 Исследование и разработка технологии очистки газа от сероводорода в стволе газовой скважины.

2.1 Обоснование выбора принципиальной технологической схемы очистки газа в стволе скважины.

2.1.1 Теоретические исследования технологии очистки газа от сероводорода при эксплуатации скважин.

2 2 2 Требования, предъявляемые к абсорбенту, используемому для очистки газа от сероводорода в стволе газовых скважин.

2.2 Взаимодействие сероводорода с водными растворами хлорида аммония разного состава.

2.2.1 Растворимость сероводорода в водном растворе хлористого аммония.

2.2.2 Поглощение сероводорода растворами хлористого аммония с различными концентрациями гидроксида железа.

2.2.3 Поглощение диоксида углерода водными растворами хлорида аммония и гидроксида железа.

2.2.4 Определение поглотительной емкости водных растворов хлористого аммония и гидроксида железа по сероводороду и диоксиду углерода.

2.2.5 Влияние концентрации хлористого аммония на физико-химические свойства поглотительных растворов в процессе их насыщения газом, содержащим сероводород и диоксид углерода.

2.2.6 Влияние концентрации гидроксида железа в поглотительных растворах на процессы их насыщения газовой смесью, содержащей сероводород и диоксид углерода.

2.2.7 Влияние состава газовой смеси на процесс поглощения сероводорода и диоксида углерода растворами, содержащими хлористый аммоний и гидроксид железа.

2.3 Исследование коррозионных свойств поглотительного раствора. НО

2.4 Влияние температуры на процесс взаимодействия растворов на основе хлористого аммония с сероводородом и диоксидом углерода

2.5 Разработка технологии очистки газа от сероводорода в стволе скважины.

2.5.1 Границы применимости технологии очистки газа от сероводорода в стволе скважины.

2.6 Исследование механизма химического взаимодействия сероводорода с компонентами поглотительного раствора.

3 Исследование и разработка технологии промысловой очистки газов от сероводорода.

3.1 Особенности технологии очистки газа от сероводорода с образованием малорастворимых в воде сульфидов.

3.1.1 Выбор абсорбента для очистки газа от сероводорода с получением малорастворимых в воде сульфидов.

3.1.1.1 Реагенты, обеспечивающие получение кондиционного по сероводороду газа.

3.1.1.2 Условия образования малорастворимых в воде сульфидов и карбонатов двухвалентных катионов.

3.1.1.3 Химические процессы, протекающие при очистке газа от сероводорода.

3.2 Исследование процесса очистки газа от сероводорода с образованием малорастворимого в воде сульфида железа.

3.2.1 Влияние концентрации растворённых в воде газов на их равновесную концентрацию в газовой фазе.

3.2.2 Условия образования сульфида железа в присутствии высоких концентраций диоксида углерода.

3.2.3 Влияние природы щелочного агента на образование сульфида железа.

3.2.4 Глубина извлечения сероводорода из газа с образованием сульфида железа.

3.2.5 Влияние давления и концентрации диоксида углерода в обрабатываемом газе на величину рН водных поглотительных растворов.

3.2.6 Влияние концентрации диоксида углерода в обрабатываемом газе и давления на величину равновесной концентрации сероводорода в газе.

3.2.6.1 Влияние карбоната, бикарбоната и гидроксида железа на величину равновесной концентрации сероводорода в газе.

3.2.6.2 Условия образования карбоната и бикарбоната железа.

3.2.6.3 Результаты опытно-промысловых испытаний влияния диоксида углерода на концентрацию сероводорода в газе.

3.2.7 Влияние концентрации ионов железа на равновесную концентрацию сероводорода в газе.

3.2.7.1 Опытно-промысловая проверка результатов теоретических исследований.

3.3 Исследования процесса массообмена при абсорбции сероводорода

3.3.1 Влияние различных факторов на коэффициент массопередачи в насадочных абсорберах.

3.3.1.1 Влияние давления на массопередачу в насадочных абсорберах.

3.3.1.2 Влияние концентрации сероводорода в обрабатываемом газе на массопередачу в насадочных абсорберах.

3.3.1.3 Влияние расхода газа на массопередачу в насадочных абсорберах.

3.3.1.4 Влияние концентрации реагентов на массопередачу в насадочных абсорберах.

3.3.1.5 Влияние концентрации сероводорода в очищенном газе на массопередачу в насадочных абсорберах.

3.4 Влияние технологических факторов на процесс очистки газа от сероводорода

3.4.1 Очистка газа от сероводорода суспензией гидроксида и бикарбоната железа.

3.4.1.1 Сравнительная оценка использования для очистки газа от сероводорода гидроксида и карбоната железа.

3.4.1.2 Очистка газа от сероводорода гидроксидом железа.

3.4.2 Влияние расходов сульфата железа и аммиака на образование сульфида железа.

3.4.2.1 Факторы, влияющие на расходы иона железа и аммиака.

3.4.2.2 Влияние расхода иона железа и его концентрации в абсорбенте на очистку газа от сероводорода.

3.4.2.3 Влияние расхода аммиака на процесс очистки газа от сероводорода.

3.5 Разработка технологии промысловой очистки газа от сероводорода

3.5.1 Изучение процессов массообмена при очистке газа от сероводорода на опытно-промышленной установке

3.5.2 Изучение влияния времени контакта газа с абсорбентом на его очистку от сероводорода.

3.5.3 Селективность извлечения сероводорода из газа в присутствии диоксида углерода.

4 Исследование процесса очистки газа от сероводорода при освоении скважин. ^ Исследование процессов, происходящих при освоении скважин газовых и газоконденсатных месторождений с наличием сероводорода.

4.2 Взаимодействие сероводорода с водными растворами катионов цинка и железа.

4.3 Извлечение из газов сероводорода с образованием сульфидов цинка и железа в присутствии аммиака.

4.3.1 Условия образования карбоната цинка.

4.3.2 Очистка газов от сероводорода с использованием аммиачных комплексов цинка.

4.3.3 Растворимость аммиака в водных растворах солей цинка.

4.4 Технологические показатели процесса очистки газов от сероводорода аммиакатами цинка.

4.5 Влияние полисульфидов на процессы извлечения сероводорода из газа с образованием малорастворимых в воде сульфидов двухвалентных катионов.

4.5.1 Образование полисульфидов.

4.5.2 Физико-химические и термодинамические свойства полисульфидов

4.5.3 Использование полисульфидов в процессах очистки газов от сероводорода.

5 Разработка технических средств для очистки газа от сероводорода при освоении и исследовании скважин.

5.1 Особенности технических средств, применяемых для очистки газа от сероводорода при освоении и исследовании скважин.

5.2 Требования к техническим средствам, используемым на мобильной установке очистки газа от сероводорода при освоении и исследовании скважин.

5.3 Разработка мобильной установки и технологии для очистки газа от 309 сероводорода при освоении и исследовании скважин.

6 Результаты опытно-промышленных испытаний и оценка эффективности разработанных технологических решений.

6.1 Опытно-промышленные испытания результатов диссертационной работы.

6.1.1 Результаты опытно-промышленных испытаний технологии очистки газа от сероводорода в стволе скважины.

6.1.2 Результаты опытно-промышленных испытаний технологии очистки газа от сероводорода с образованием малорастворимого в воде сульфида железа.

6.1.3 Результаты ОПИ технологии очистки газа от сероводорода при низком давлении.

6.2 Оценка эффективности использования разработанных технологических решений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка комплекса технологических решений по очистке газов от сероводорода при эксплуатации и освоении скважин: на примере малосернистых углеводородных газов»

Актуальность работы.

Газовая промышленность - это одна из ключевых отраслей топливно-энергетического комплекса страны, оказывающая значительное влияние на рост производительности общественного труда, ускорение технического прогресса и экономики Российской Федерации. Доля газа в топливно-энергетическом балансе страны уже сейчас составляет около 50%.

При существующей ограниченности доступных запасов нефти и природного газа (по экспертным оценкам их хватит на 30-50 лет) возникает острая необходимость повышения степени их извлечения, с одной стороны, и с другой - освоение малых по запасам и содержащих сероводород месторождений углеводородов. Нужны новые технологии нефтегазодобычи, обеспечивающие минимальные материальные затраты, и эффективные технические решения.

Для обеспечения роста добычи газа предстоит ускорить вовлечение в разработку новых газоконденсатных месторождений. Разработка газовых и газоконденсатных месторождений - это сложный, многостадийный процесс, одной из актуальных и насущных проблем которого является очистка углеводородного газа от сероводорода.

Вместе с тем ресурсы сероводородсодержащего газа могут и должны рассматриваться в качестве одного из основных источников сырья химической промышленности для производства серной кислоты, удобрений, гербицидов, резиновых изделий, медикаментов и т.д.

По оценкам геологов в недрах нашей страны находится около 50% мировых запасов сероводородсодержащего газа [1, 8,9,18].

Потенциальные ресурсы сероводородсодержащего газа стран бывшего СССР оцениваются более чем в 25 трл.м3. Всего в РФ открыто 162 месторождения, в газе которых присутствует сероводород, причем 133 месторождений расположены в Европейской части России, в том числе 21 в Северо-Кавказском регионе.

На основе крупных месторождений сернистых газов в настоящее время функционирует два газохимических комплекса: Оренбургский и Астраханский. Наряду с углеводородным сырьем, данные комплексы являются крупными поставщиками элементарной серы.

Несмотря на очевидные успехи в области переработки высокосернистых газов ряд важных проблем сохранения естественной экологической обстановки в районах расположения скважин до настоящего времени не решен. Это относится к проблемам освоения скважин после ремонтно-восстановительных работ, проведения газогидродинамических исследований на скважинах, а также отбора проб газа на скважинах.

В этой связи ощущается острая потребность в разработке мобильной установки сероочистки.

До настоящего времени остаются не решенными вопросы разработки малосернистых месторождений. Как правило, эти месторождения небольшие по запасам и удалены друг от друга на большие расстояния, поэтому их совместная разработка и эксплуатация невозможна. Большинство сероводородсодержащих месторождений европейской части России находится в консервации. Вовлечение в разработку таких месторождений затруднено из-за отсутствия надежных и экономичных технологий сероочистки, учитывающих особенности каждого конкретного месторождения.

Среднеазиатские районы уже много лет занимают одно из ведущих мест в добыче природного газа среди стран СНГ. Из находящихся в эксплуатации месторождений многие содержат сероводород. Так, например, к 1990 г. доля сероводород со держащего газа в общей добыче по Узбекистану составляла более 90%. [9,19]

Среднеазиатский регион также отличается удаленностью расположения месторождений друг от друга, что значительно усложняет решение проблемы очистки газа от сероводорода.

В этой связи особое значение приобретает разработка технологий, позволяющих обеспечить очистку газа от сероводорода непосредственно на промысле с получением товарных продуктов на базе извлеченного сероводорода.

Поэтому проблема очистки газа от сероводорода представляется актуальной.

Немаловажное значение имеют вопросы обеспечения экологической безопасности при разработке сернистых месторождений. При этом особое внимание уделяется совершенствованию действующих и разработке новых технологий сероочистки, исключающих выбросы токсичного сероводорода в окружающую среду.

Особенно остро стоит экологическая проблема регулируемых выбросов сероводородсодержащего газа при разведочном бурении, при проведении газогидродинамических исследований (ГГДИ), при освоении скважин на не обустроенных месторождениях. Как правило, на таких скважинах отсутствует соответствующее оборудование для утилизации сероводорода, газ сжигается на факелах, что вызывает неизбежное загрязнение атмосферы сернистыми соединениями.

В настоящее время при каждой операции освоения скважины приходится учитывать направление и силу ветра, расположение населенных пунктов и другие факторы, которые иногда сдерживают своевременное проведение работ, вызывая значительные простои как скважин, так и ремонтных бригад.

Решение возникающих экологических проблем при освоении скважин сернистых месторождений на необустроенных месторождениях, а также на обустроенных месторождениях с низкими пластовыми давлениями, лежит в разработке специальной технологии и создании мобильной установки для очистки газа от сероводорода.

В настоящее время таких технологий и установок ОАО «Газпром» не имеет.

Разработка технологии очистки газа от сероводорода для мобильных установок позволит решить ряд проблем не только экономического, но и социального характера. К таким проблемам относится обеспечение промыслов очищенным от сероводорода газом для собственных нужд и газификации населенных пунктов, расположенных вблизи сернистых месторождений.

С целью обеспечения естественной экологической среды в районах расположения сернистых месторождений и повышения степени использования добытого из недр флюида необходима разработка надежных и экономичных технологий для промысловой очистки газов от сероводорода с низкими концентрациями последнего с последующей его переработкой в товарные серусодержащие продукты, а также мобильной установки для очистки газа от сероводорода.

Поскольку предлагаемая диссертационная работа и посвящена решению названных выше проблем, ее тема является актуальной и перспективной.

Целью диссертационной работы является разработка комплекса технологических решений по очистке газа от сероводорода, направленных на повышение качества, надежности и экологической безопасности эксплуатации месторождений, в продукции которых содержится сероводород.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи.

1. Изучение состояния разработки газовых и газоконденсатных месторождений, в газе которых присутствует сероводород.

2. Обобщение теоретических и экспериментальных исследований в области очистки газа от сероводорода при эксплуатации и освоении скважин сернистых месторождений.

3. Разработка технологии и составов поглотительных растворов для промысловой очистки газа от сероводорода непосредственно в стволе газовой скважины.

3.1. Изучение условий использования газовой скважины для очистки газа от сероводорода.

3.2. Изучение основных технологических и коррозионных характеристик поглотительного раствора.

3.3. Изучение влияния диоксида углерода на процесс очистки газа от сероводорода.

4. Разработка технологии и состава абсорбента для промысловой очистки низконапорных и попутных нефтяных газов от сероводорода.

4.1. Изучение условий, обеспечивающих эффективное извлечение сероводорода из газа при эксплуатации месторождений с низкими пластовыми давлениями.

4.2. Изучение химизма и механизма взаимодействия сероводорода с абсорбентом.

4.3. Изучение процесса абсорбции сероводорода в условиях прямотока.

5. Разработка технологии и абсорбента для очистки газа от сероводорода при освоении скважин после проведения ремонтно-восстановительных работ.

6. Изучение процесса массообмена в условиях прямотока и противотока жидкой и газовой фаз для разработанных технологий.

7. Разработка мобильной установки для очистки газа от сероводорода при освоении газовых скважин.

Методика исследований основана на анализе и обобщении имеющихся теоретических, экспериментальных и промысловых данных по рассматриваемой проблеме и на результатах собственных аналитических, лабораторных, стендовых и промысловых исследований с использованием современных лабораторных приборов и установок, математических методов и химических законов, моделирования на ЭВМ и др.

Научная новиза заключается в следующем.

1. На основании теоретического обобщения и экспериментальных исследований разработан ряд технологических процессов, позволяющих решить проблемы очистки углеводородных газов от сероводорода и обеспечить экологическую безопасность в процессе эксплуатации и освоения скважин сернистых месторождений.

2. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны составы поглотительных растворов для очистки природных газов разного состава по кислым компонентам от сероводорода, обладающие высокой емкостью по сероводороду.

3. Разработан способ очистки газа от сероводорода при эксплуатации сернистых месторождений в стволе газовой скважины для обеспечения очистки газа от сероводорода на самой ранней стадии добычи с целью исключения коррозии технологического оборудования

4. Разработаны технологии, позволяющие селективно извлекать из газа сероводород и получать кроме очищенного газа дополнительно товарную продукцию для промысловой очистки низконапорных углеводородных и попутных нефтяных газов от сероводорода.

5. Разработаны технология и мобильная установка очистки газа от сероводорода при освоении и исследовании скважин сернистых месторождений с целью исключения выбросов в атмосферу токсичного сероводорода и продуктов его горения

6. Разработаны составы абсорбентов и технические средства для обеспечения глубокой очистки газа от сероводорода в условиях прямотока.

Основные защищаемые положения.

1. Составы поглотительных растворов для очистки природных газов разного состава по кислым компонентам от сероводорода.

2. Способ очистки газа от сероводорода в стволе скважины при эксплуатации сернистых месторождений.

3. Технология промысловой очистки низконапорных углеводородных и попутных нефтяных газов при эксплуатации сернистых месторождений.

4. Технология очистки газа от сероводорода при освоении и исследовании скважин после проведения ремонтно-восстановительных работ.

5. Состав абсорбента для глубокой очистки газа от сероводорода при эксплуатации и освоении скважин, обладающий высокой селективностью по сероводороду в условиях прямотока.

6. Технические средства для очистки газа от сероводорода при освоении и исследовании скважин.

7. Конструкции и методика расчета прямоточных насадочных абсорберов.

Практическая ценность и реализация работы.

Практическая значимость работы характеризуется соответствием направлений исследований, составляющих ее частей содержанию научно-технических программ, в том числе отраслевой программе НИОКР ОАО «Газпром» в области промысловой подготовки газа при разработке газовых и газоконденсатных месторождений природного газа и «Перечню приоритетных научно-технических проблем ОАО «Газпром» раздел 3, п. 3.2 «Создание методов и технологий для повышения эффективности разработки и безопасной эксплуатации месторождений», раздел 4, п.4.1 «Разработка технических и технологических решений по обеспечению эффективной и надежной работы скважин на месторождениях, вступивших в период падающей добычи в условиях коррозионно-активного газа», раздел 6, п.6Л «Разработка технологий и технических средств, направленных на повышение экологической безопасности производственного комплекса Общества»,

Результаты проведенных исследований и разработки, выполненные по теме диссертации, использовались на Кошехабльском месторождении ООО «Кубаньгазпром», а также на месторождениях Узбекистана и Туркмении, на нефтяных месторождениях Каражанбас и Макат для очистки газов внутрипластового горения от сероводорода и на Ново-Украинской КС РЖ «Краснодарнефтегаз» для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода.

Многие теоретические и методические положения, изложенные в диссертационной работе, используются автором при чтении лекций и проведении практических занятий на факультете нефти и газа Ставропольского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международных, Всероссийских и региональных совещаниях, конференциях, и семинарах:

XIX конференция молодых ученых и специалистов ВНИИгаза (Москва, 1982г.); Всесоюзная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов - «Молодежь и научно- технический прогресс в газовой промышленности» (Баку, 1983г.); областная научно-техническая конференция (Астрахань, 1989г.), «Проблемы разработки нефтяных и газовых месторождений и интенсификации добычи углеводородного сырья (Астрахань, 1995 г.), «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2002г.), «Газовой отрасли - новые технологии и новая техника» (Ставрополь, сентябрь 2002г.), «Проблемы эксплуатации и капитального ремонта скважин на месторождениях и ПХГ» (Кисловодск, сентябрь 2003 г.), «Проблемы добычи газа, газового конденсата, нефти» (Кисловодск, октябрь 2005г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 77 печатных работ, в том числе 32 авторских свидетельств на изобретения, 12 патентов на полезную модель РФ и монография.

Объем работы. Диссертация изложена на 381 странице машинописного текста, включает 115 рисунков и 83 таблицы.

Работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованных источников из 310 наименований.

В процессе выполнения исследований автор работы пользовался советами и консультациями доктора технических наук, профессора, академика РАЕН и АГН РФ P.A. Гасумова, доктора технических наук, профессора А.И. Гриценко, доктора технических наук, профессора K.M. Тагирова, доктора химических наук, профессора Аксенова A.B., кандидатов технических наук И.А. Галанина, Ю.И. Петракова, Ю.М. Басарыгина кандидата химических наук С.Н. Овчарова, кандидата геолого-минералогических наук В.А. Гридина, ощущала помощь и поддержку коллег по работе Ж.М. Редкобородой, М.В. Колпаковой, В.Б. Коробер, Е.А. Шестериковой, Г. Ли и работников ООО «Кубаньгазпром» Ю.И. Баканова, A.A. Захарова, A.B. Маркова, Д.И. Белкина, Н.И. Кобелевой, А.И. Щербаковой, C.B. Пушкина и многих других. Всем им диссертант выражает свою признательность и глубокую благодарность.