Currently, the issue of utilization of associated petroleum gas (APG) containing hydrogen sulfide is acute at many oil and gas production facilities in our country. Over the past 10 years, the issue of dumping associated petroleum gas into the atmosphere has become more acute all over the world. Such emissions lead to environmental pollution, an increase in the amount of greenhouse gases in the atmosphere and, as a result, to an increase in temperature on the surface of the planet. Therefore, various measures aimed at the utilization and useful use of APG have been actively implemented abroad and in our country since 2011. However, there are a number of problems that make this process unprofitable or impossible. In this regard, a detailed consideration of the factors that have a negative impact on the technological and economic aspects of APG utilization measures at small oil and gas facilities for the collection and primary treatment of oil and gas is required.
До введения нормативных и законодательных требований на территории РФ, устанавливающих необходимость утилизации ПНГ без сжигания или рассеивания в атмосфере, практически на всех установках сбора и первичной подготовки нефти и газа, таких как дожимные насосные станции (ДНС), установки предварительного сброса пластовой воды (УПСВ), установках подготовки нефти (УПН), осуществлялся сброс в атмосферу выделившегося ПНГ на 1-ой и 2-ой ступенях сепарации через свечи рассеивания.
Подобный способ является самым дешевым, так как не требует использования дорогостоящего оборудования для сжигания, не обуславливает необходимость выполнения противопожарных разрывов, которые необходимы при устройстве факельных установок. Кроме того, небольшие объемы сбрасываемого газа, в большинстве случаев бывают не достаточны для работы таких сооружений, как газотурбинные или газопоршневые электростанции, либо котельные установки.
C 2012 года вступил в действие документ [1], который устанавливает требования к оплате за негативное воздействие на окружающую среду при выбросах в атмосферу веществ, которые образуются при сжигании ПНГ на факельных установках или при рассеивании ПНГ без сжигания.
Еще до вступления в силу этого документа практически на всех предприятиях ОАО НК «Роснефть» стали проводиться мероприятия по утилизации ПНГ.
В Самарской области практически на всех установках ДНС, УПСВ, УПН производится сбор и первичная сепарация, а также первичная подготовка нефти, в которой содержится попутный нефтяной газ, в состав которого входит сероводород.
На рисунке 1 приведено расположение в Самарской области месторождений, на которых происходит добыча нефти с содержанием сероводорода.
Рис. 1. Карта нефтегазовых месторождений Самарской области (штриховкой показаны месторождения с сероводородосодержащими нефтями)
Как видно из рисунка 1, практически на всей территории Самарской области, кроме ее южной и юго-восточной частей, нефти заражены сероводородом. Наличие сероводорода приурочено к отложениям верхнего, среднего и нижнего карбона, с которых производится добыча нефти совместно с нефтями девонских отложений.
Как правило, на промысловых установках подготовки нефти запроектированы раздельные потоки девонской нефти и нефтей карбона. Однако, после прохождения всех ступеней сепарации и выделения на них ПНГ, нефти смешиваются и направляются в промысловые трубопроводы на внешний транспорт, либо на вывоз автотранспортом.
Выделяющийся в сепарационных установках ПНГ может содержать в своем составе от 0,001 до 6 % масс. сероводорода. Следует рассмотреть особенности этого компонента, который оказывает негативное влияние на трубопроводы и нефтепромысловое оборудование.
Сероводород представляет собой бинарное соединение водорода и серы. Является летучим соединением водорода. Это бесцветный газ со сладковатым вкусом. Ядовит. Обладает запахом тухлых яиц. Имеет химическую формулу H2S. Плохо растворяется в воде, но хорошо растворим в этаноле. Является огнеопасным. Тяжелее воздуха, следовательно, может скапливаться в пониженных местах рельефа.
Концентрационный предел воспламенения смеси с воздухом составляет для сероводорода от 4,5 до 45 % сероводорода. Предельно-допустимая концентрация сероводорода в воздухе составляет для населенных мест не более 0,008 мг/м3 [2].
ПДК сероводорода в воздухе рабочей зоны составляет 10 мг/м3, а в смеси с углеводородами — не более 3 мг/м3, в соответствии с требованиями [3].
Сероводород очень токсичен для человека. При небольшом содержании в воздухе (0,2…0,3 мг/л) вызывает головокружение, головную боль и тошноту.
При повышении концентрации до 1 мг/л приводит к судорогам, отеку легких и летальному исходу.
Сероводород вызывает сильную коррозию металлов и их постепенное разрушение. Воздействие сероводорода, особенно при высоких парциальных давлениях, приводит в интенсификации сульфидно-коррозионного растрескивания металла.
В связи с этим, на всех установках, где происходит подготовка и переработка нефтей с содержанием сероводорода, устанавливаются специальные газоанализаторы, настроенные на контроль утечки этого газа и сигнализацию в случае превышения его концентрации в воздухе рабочей зоны.
В настоящее время на промысловых установка первичной переработки нефти применяется несколько методов утилизации ПНГ с содержанием сероводорода. К ним относятся:
– сжигание на факельной установке без выделения сероводорода;
– сжигание на факельной установке с использование адсорбера;
– использование в качестве топлива в котельной;
– использование в качестве топлива для газотурбинной (ГТУ) или газопоршневой установки (ГПУ);
– использование в качестве топлива для путевых подогревателей нефти.
Использование первых двух методов утилизации ПНГ с содержанием сероводорода ведет к необходимости оплаты предприятием штрафных санкций, предусмотренных требованиями [1].
Использование ПНГ с содержанием сероводорода в качестве топлива для котельной, либо для ГТУ, ГПУ не всегда представляется возможным, вследствие следующих причин:
1) общее количество выделяющегося ПНГ недостаточно для работы этих установок;
2) не требуется выработка электрической или тепловой энергии, так как имеют место внешние сети электро- и теплоснабжения;
3) срок окупаемости мероприятий превышает срок службы установки первичной подготовки нефти.
В результате подобного анализа, который проводится в составе технико-экономического обоснования методов утилизации ПНГ, проводимого на базе корпоративных проектных институтов, может быть выбран метод утилизации ПНГ, применяемого в качестве топлива для путевого подогревателя нефти.
Технологическая схема такой установки приведена на рисунке 2.
В соответствии с технологической схемой УПСВ, попутный нефтяной газ, отделяемый на 1-ой и 2-ой ступенях сепарации, выходит из нефтегазовых сепараторов и направляется на путевые подогреватели нефти в качестве топлива. Для отделения капельной влаги перед подогревателями устанавливаются вертикальные газовые сепараторы, которые позволяют отделить от газа капельную жидкость, уносимую вместе с газом из сепараторов.
Путевые подогреватели нефти предназначены для нагрева продукции добывающих скважин с целью интенсификации процесса отделения пластовой воды от нефти. Повышение температуры скважинной продукции до +40…+60 0С позволяет отделить от водонефтяной эмульсии большее количество пластовой воды и понизить обводненность нефти на выходе с установки. Температура нагрева подбирается таким образом, чтобы использование ПНГ в качестве топлива было максимальным.
В настоящее время в нашей стране несколько крупных промышленных предприятий выпускают путевые подогреватели нефти, которые позволяют использовать в качестве топлива ПНГ, содержащий сероводород. При этом стоимость таких подогревателей незначительно превышает или равна стоимости подогревателей, использующих ПНГ без содержания сероводорода.
Для трубопроводов подачи ПНГ на путевые подогреватели, а также для трубопроводов блока редуцирования ПНГ, который входит в состав путевого подогревателя, используются стали повышенной коррозионной стойкости и повышенной эксплуатационной надежности. В качестве таких сталей могут применяться 13ХФА, 09ХГБ, 12Х18Н10Т и аналогичные.
Для углеродистых низколегированных сталей рекомендуется предусматривать прибавку на коррозию к толщине стенки от 4 до 5 мм. Это решение ведет к незначительному удорожанию проекта, так как протяженность трубопроводов для подачи ПНГ на путевые подогреватели сравнительно не большая и составляет от 20 до 100 м, а наружный диаметр от 32 до 108 мм.
Следовательно, предлагаемое решение утилизации сероводородсодержащего ПНГ характеризуется небольшими капитальными затратами.
Рис. 2. Технологическая схема УПСВ с утилизацией ПНГ на путевых подогревателях нефти
Выводы:
Таким образом, в настоящее время наиболее перспективным направлением утилизации ПНГ с содержанием сероводорода на промысловых установках первичной подготовки нефти является использование его в качестве топливного газа для путевых подогревателей нефти, которые используются для подогрева скважинной продукции.
Использование путевых подогревателей решает две важные задачи: подогрев водонефтегазовой эмульсии, приходящей со скважин, с целью интенсификации отделения от нее пластовой воды, а также утилизацию ПНГ. При сгорании газа в горелках подогревателя образуются дымовые газы, которые менее опасны для окружающей среды, чем выбросы ПНГ с содержанием сероводорода.
Кроме того, подобное техническое решение позволяет выполнить требования Законодательства РФ в части утилизации ПНГ без его сжигания на факельных установках.
Литература:
- Постановление Правительства РФ от 8 ноября 2012 г. N 1148 «Об особенностях исчисления платы за негативное воздействие на окружающую среду при выбросах в атмосферный воздух загрязняющих веществ, образующихся при сжигании на факельных установках и (или) рассеивании попутного нефтяного газа» (с изменениями и дополнениями).
- Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 22 декабря 2017 г. № 165 «Об утверждении гигиенических нормативов ГН 2.1.6.3492–17 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений».
- Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28 января 2021 года № 2 «Об утверждении санитарных правил и норм СанПиН 1.2.3685–21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» .
