Методы и перспективы борьбы с сероводородом на нефтяных месторождениях



В статье приведен анализ методов очистки газа от сероводорода на промысле, предложен процесс абсорбционной очистки углеводородных газов от сернистых соединений с использованием вихревых аппаратов в качестве абсорберов, позволяющих снизить металлоемкость технологического оборудования, использовать поглотительный раствор с низкой концентрацией щелочи и оптимизировать температурные режимы окисления.

Ключевые слова: очистка, сероводород, абсорбционные методы, промысловые технологии, кавитационно-вихревой режим, массообмен

Одной из актуальных проблем при добыче сероводородсодержащих нефтей является проблема повышения эффективности эксплуатации и экологической безопасности нефтепромысловых систем, включающих в себя продуктивные пласты, скважины и наземное оборудование.

В создавшихся условиях развития рыночных отношений наблюдается тенденция к применению малогабаритных автоматизированных установок в блочно-агрегатном исполнении, что диктуется экономией энергетического потенциала. Использование вихревого эффекта при совершенствовании существующих систем нефтесбора и промысловой подготовки нефтяного газа, разработке новых, энергосберегающих технологий становится все более актуальной проблемой.

Расширение области применения и повышения эффективности вихревых устройств одна из проблем энерго- и ресурсосберегающих технологий и зашиты окружающей среды от вредных промышленных газовых выбросов.

Интенсификация производств нефтегазовой отрасли характеризуется увеличением выпуска конечного продукта, которая достигается как за счет роста скоростей химических реакций, температуры и давления (параметров технологического процесса), так и за счет разработки и применения принципиально новых аппаратов, технологий и воздействий на ход технологических процессов. Поэтому современные технологические процессы должны быть непрерывными и протекать с большими скоростями при условии обеспечения эффективности и комплексного использования сырья и энергии.

Актуальным с точки зрения исключения возможности загрязнения окружающей среды является необходимость повышения эффективности процессов очистки скважинной продукции от сероводорода за счет уменьшения рабочего времени на получение единицы продукции и снижения материальных и энергетических затрат при улучшении качества продукции.

Все процессы очистки газа от сероводорода можно классифицировать на абсорбционные, адсорбционные и окислительные (рис. 1).

Абсорбционные

Рис. 1. Классификация методов очистки газа от сероводорода

В основе абсорбционных методов лежит массообмен, осуществляемый через поверхность раздела газ-жидкость [1, 2]. Хемосорбционные процессы основаны на химическом взаимодействии H2S и СО2 с активной частью абсорбента. Процессы физической абсорбции основаны на извлечении кислых компонентов и происходят за счет их растворимости в органических поглотителях. Комбинированные процессы в основе используют одновременно химические и физические поглотители.

В адсорбционных процессах очистки газа удаление вредных примесей из газового потока происходит в результате концентрирования их на поверхности твердого материала, обладающего большой удельной поверхностью [2, 3].

Окислительные методы основаны на химических реакциях, в которых сера изменяет свою валентность. Окислительные процессы проходят в необратимом превращении поглощенного сероводорода в серу.

Анализ мировой практики, накопленной в области очистки природных газов, показывает, что основными процессами для обработки больших потоков газа являются абсорбционные с использованием химических и физических абсорбентов и их комбинации.

Процессы очистки газа физическими абсорбентами имеют ряд преимуществ относительно процессов, основанных на применении растворов этаноламинов. Они состоят в том, что физические абсорбенты позволяют извлечь из газа одновременно с Н₂S и СО₂ сероорганические примеси — меркаптаны, сероокись углерода, сероуглерод, а в ряде случаев и осушить газ. Кроме того, затраты энергии на регенерацию абсорбентов значительно ниже, вследствие непрочности соединений абсорбент/примесь. Ограничением их широкого применения (помимо стоимости) является повышенная растворимость углеводородных компонентов газа в абсорбенте, что особенно критично при очистке жирного газа. В качестве физических абсорбентов для очистки газов применяются различные классы соединений: алифатические спирты, эфиры гликолей, гетероциклические соединения и др.

Принятая классификация достаточно условна, так как разработаны технологические процессы, в которых основные методы (абсорбция, адсорбция и окисление) применяют в различных сочетаниях. Например: процесс очистки газа от сероводорода растворами на основе гидроокиси железа, это комбинация абсорбционного процесса, поскольку сероводород из газовой фазы переходит в жидкость.

При обработке значительных объемов газа и извлечении больших количеств сероводорода технологические процессы обязательно должны обеспечивать непрерывную или периодическую регенерацию применяемого поглотителя. Без регенерации поглотителя технология очистки газов от сероводорода становится неэкономичной.

В практике поглотители регенерируют различными методами, среди которых чаще всего применяют тепловую обработку, отдувку инертными газами и водяным паром, снижением давления в системе регенерации, проведения процесса под вакуумом, окисление сульфидов до элементарной серы [2, 3] и др.

Практика показывает, что в технологических схемах очистки газов от сероводорода основные затраты на эксплуатацию установок приходятся на проведение процесса регенерации. Капитальные затраты в сооружении установок очистки газов от сероводорода резко увеличиваются за счет строительства узлов регенерации сорбентов, что вызвано необходимостью сооружения многочисленных вспомогательных сооружений (котельные, теплообменное оборудование, компрессорные и насосные станции и т. д.).

Таким образом, классификация процессов очистки газов от сероводорода только по свойствам применяемого поглотителя без учета процесса регенерации не дает полной характеристики применяемой технологии.

Сероводород, и особенно в сочетании с углекислым газом, является агрессивным компонентом попутного нефтяного газа, снижает его товарное качество и превращает в агрессивный коррозионно-опасный продукт, непригодный для практического использования в качестве энергоносителя. При этом основной технологией извлечения сероводорода из попутного нефтяного газа является абсорбция.

Для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода и углекислого газа применяют жидкостные процессы (абсорбция), процессы адсорбционной очистки, прямого окисления [3], а также электродуговые методы с получением водорода и серы, и метод мембранного разделения [4]. Способ очистки газа выбирают с учетом таких факторов, как состав сырьевого газа, область применения товарного газа, наличие определенного качества сорбента. При этом основным фактором, определяющим способ и технологическую схему очистки газа, является концентрация сероводорода, углекислого газа и сероорганических соединений.

При абсорбции процесс поглощения газа протекает через поверхность соприкосновения фаз. Поэтому в абсорберах требуется создать развитую поверхность контакта жидкости с газом. По способу создания этой поверхности абсорбционные аппараты можно разделить на поверхностные (к этой группе можно отнести барботажные) и распыливающие. Исследуя конструкции этих абсорберов, можно заключить, что поверхностные и распыливающие абсорберы являются крупногабаритными (высота аппаратов, диаметр которых — от 1,5 до 3 м, достигает 30 м) и металлоемкими [5].

В настоящее время для интенсификации массообмена применяют высокоэффективный способ взаимодействия фаз в контактных устройствах, реализуемый за счет различных завихрителей газа.

Технология подготовки газа не должна допускать загрязнения окружающей среды токсичными сернистыми соединениями. Большинство промышленных установок выбрасывают в атмосферу эти соединения, чаще всего в виде оксидов серы.

Учитывая недостатки применяемого абсорбционного оборудования для очистки природного нефтяного газа от H2S и СО2, перспективным представляется использование прямоточно-вихревых аппаратов, обладающих небольшими габаритами для создания требуемой межфазной поверхности (главным образом за счет высокой пропускной способности и скорости газа, достигающей 30 м/с), а также низким гидравлическим сопротивлением. Опыт применения вихревых аппаратов имеется в химической промышленности.

Применение волновых воздействий позволяет повысить эффективность массообмена в химико-технологических процессах и создавать компактные аппараты на их основе. Причем энергия потока, для этих аппаратов, бывает достаточной для создания эффективного кавитационно-вихревого режима (рис.2).

Рис. 2. Схема очистки газов с блоком регенерации отработанного поглотительного раствора с использованием кавитационно-вихревых аппаратов: А — абсорбер; С-1 — сепаратор; ГДА — гидродинамический аппарат; С-2 гравитационный сепаратор; Ф — фильтр; Т-1, Т-2 — теплообменные аппараты

Полученные результаты позволили разработать новые конструкции кавитационно-вихревых аппаратов для процессов абсорбции и регенерации поглотительных растворов (Патент РФ № 2171705) [6].

На основе разработанных конструкции предложен процесс абсорбционной очистки углеводородных газов от сернистых соединений с двух стадийным блоком регенерацией отработанных водно-щелочных стоков позволило:

 снизить металлоемкость технологического оборудование;

 использовать поглотительный раствор с низкой концентрацией щелочи (2–4 % масс.), наименьший размер капель абсорбента (2–4 мм) достигается при скорости истечения жидкости через сопло кавитационно-вихревого абсорбера (КВА) равной 10–15 м/с.

 оптимизировать температурные режимы окисления, сероводорода до элементарной серы и меркаптанов до дисульфидов,-40–50оС и 80–95оС, соответственно.

На Жанажольском месторождении применяют поверхностные, барботажные и распыливающие абсорберы, обеспечивающие высокую производительность по поглощаемому газу и позволяют достигать высоких значений величины межфазной поверхности, но имеют большие габариты, высокую металлоемкость и стоимость.

Анализируя промысловые технологии очистки нефти и газа от сероводорода можно сделать вывод, что в последние годы наметился определенный прогресс в разработке и внедрении таких технологий. Одним из эффективных методов удаления сероводорода из нефтяного газа является метод очистки его от сероводорода в системе промысловой подготовке с использованием вихревых аппаратов в качестве абсорберов.

Литература:

1. Афанасьев А. И. Энергосберегающая технология очистки газа / А. И. Афанасьев и [др.] // Повышение эффективности процессов переработки газа и газового конденсата: Сборник научных трудов. М.: ВНИИГАЗ, 1995. — Ч. 1. -С. 19–26.
2. Бекиров Т. М. Технология обработки газа и конденсата / Т. М. Бекиров, Г. А. Ланчаков. — М.: Недра, 1999.-596 с.
3. Шаймарданов В. Х. Разработка высокоэффективной технологии очистки нефти от газа. / В. Х. Шаймарданов, Е. П. Масленников, У. Е. Усанов // Роснефть. — 2007. — № 4. — С. 59–61.
4. Сафин Р. Р. Направления подготовки сернистых нефтей, газоконденсатов и продуктов их переработки к транспортировке и хранению / Р. Р. Сафин, Ф. Р. Исмагилов // Экология промышленного производства. — 2004. — № 2. — С. 35–39
5. Росляков А. Д. Анализ технологий очистки углеводородного сырья от сернистых соединений / А. Д. Росляков, В. В. Бурлий // Экология и промышленность России. -2010. — № 2. — С.42–45.
6. Патент 2171705 Российская Федерация, МПК8 В 01 D 53/18. Способ очистки газа и устройство для его осуществления / Ф. Ш. Хафизов, Н. Ф. Хафизов, А. Ш. Хайбрахманов, А. В. Белоусов, М. А. Аликин; опубл. 10.08.2001.