Способ утилизации попутного нефтяного газа на нефтяных месторождениях

 

Изобретение предназначено для химической и нефтехимической промышленности и может быть использовано при получении сажи и соляной кислоты. В две подводящие трубы, снабженные электронагревателями, подают раздельно попутный нефтяной газ и хлор. Нагревают раздельно до 300-400°С. Нагретые газы подают в изолированную от внешней среды емкость, снабженную нагревателем, и смешивают. Смесь турбулизируют при помощи вращающихся осевых турбулизаторов со спиралевидными лопастями, воспламеняют и сжигают при температуре выше 1430°С. Образующийся HCl подают в воду, получают соляную кислоту. Сажу собирают. Изобретение позволяет увеличить выход сажи до 80-90% от теоретического, снизить степень загрязнения окружающей среды. Удельная поверхность сажи 250 м²/г. Способ прост и экономичен.

Изобретение относится к разработке нефтяных месторождений и переработке добываемой из скважин продукции. Оно может быть также использовано в химической промышленности для производства сажи и других полезных продуктов, в том числе соляной кислоты.

Аналогом предлагаемого изобретения является способ ликвидации попутного нефтяного газа посредством его сжигания в факелах [1].

Недостатком способа является загрязнение окружающей среды.

Другим аналогом является утилизация нефтяного газа на большом удалении от скважины [2].

Недостатком аналога являются большие затраты на транспортировку газа и строительство трубопроводов, что для удаленных месторождений экономически нецелесообразно.

Аналогами предлагаемого изобретения являются способы сжигания метана в окислительной среде с получением сажи [3, 4].

Недостатками способов являются их малая эффективность, которая составила 15% по выходу сажи в сравнении с теоретическим количеством углерода, содержащегося в исходном сжигаемом метане.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ утилизации попутного нефтяного газа на нефтяных месторождениях взаимодействием нефтяного газа с хлором при сжигании их в виде предварительно полученной смеси с температурой сжигания 500-1430°С [5]. В способе получают продукт утилизации (переработки) газа - сажи.

Недостатком известного способа является малая эффективность, которая составила 20-62% по выходу сажи в сравнении с теоретическим, а остальные продукты реакции в количестве более 40% не утилизируются и уходят в атмосферу. Другим недостатком является и невысокое качество сажи определяемое ее малой удельной поверхностью, составляющей 170-230 м²/г, что снижает ее адгезионные и абсорбционные свойства и ухудшает свойства тех материалов, в которые сажа входит в качестве сырья.

Задачей изобретения является повышение эффективности способа, снижение степени загрязнения окружающей среды и повышение качества получаемых при утилизации и переработке нефтяного газа продуктов, в том числе сажи.

Задача решается тем, что в известном способе утилизации попутного нефтяного газа на нефтяных месторождениях взаимодействием нефтяного газа с хлором при сжигании их в виде предварительно полученной смеси с температурой сжигания 500-1430°С согласно изобретению сжигание смеси попутного нефтяного газа с хлором производят в изолированном от внешней среды пространстве, причем перед сжиганием смеси попутного газа с хлором ее предварительно нагревают до температуры 300-400°С и турбулизируют, а сжигание смеси попутного газа с хлором производят при температуре выше 1430°С.

Существенными признаками способа являются:

1. Взаимодействие нефтяного газа с хлором.

2. Взаимодействие нефтяного газа с хлором при сжигании их в виде предварительно полученной смеси.

3. Взаимодействие нефтяного газа с хлором при сжигании их в виде предварительно полученной смеси с температурой сжигания 500-1430°С.

4. Сжигание смеси попутного нефтяного газа с хлором производят в изолированном от внешней среды пространстве.

5. Перед сжиганием смеси попутного газа с хлором ее предварительно нагревают до 300-400°С.

6. Перед сжиганием смеси попутного газа с хлором ее предварительно турбулизируют.

7. Сжигание смеси попутного газа с хлором производят при температуре выше 1430°С.

Признаки 1-3 являются общими с прототипом, а признаки 4-7 - существенными отличительными признаками изобретения.

Сущность предлагаемого изобретения

Одной из проблем при разработке нефтяных месторождений является утилизация попутного нефтяного газа. Его утилизация позволяет улучшить экологическую обстановку на промыслах, а также дает технологическую и экономическую выгоду от его переработки с получением полезных продуктов. Без этого его ликвидация в факелах [1] приводит к загрязнению окружающей среды и к уничтожению этого вида углеводородного сырья. Транспортировка его к местам утилизации [2] на большие расстояния экономически нецелесообразна. Нерешенные проблемы с попутным нефтяным газом лишают права разработки месторождения и добычи нефти, что влечет за собой возможность ликвидации промысла.

В известном способе [5] получают сажу взаимодействием метана и хлора в молярном соотношении 1:(1-4,4) путем сжигания при подаче этих реагентов при температуре в реакционной зоне 500-1430°С. При этом выход сажи составляет 20-62% от теоретического.

Кроме того, при горении образуются вместе с сажей и другие продукты реакции, преимущественно газообразные, которые не утилизируются и сбрасываются в атмосферу, чем создают условия загрязнения окружающей среды.

Из этого следует, что в известном способе ввиду низкой температуры в реакционной зоне остается непереработанной от 38 до 80% смеси, что снижает эффективность способа, ухудшает экологию и дает сажу невысокого качества. Указанные недостатки решаются в предложенном изобретении.

Это достигается тем, что в известном способе утилизации попутного нефтяного газа на нефтяных месторождениях взаимодействием нефтяного газа с хлором при сжигании их в виде предварительно полученной смеси с температурой сжигания 500-1430°C согласно изобретению сжигание смеси попутного нефтяного газа с хлором производят в изолированном от внешней среды пространстве, причем перед сжиганием смеси попутного газа с хлором ее предварительно нагревают до температуры 300-400°С и турбулизируют, а сжигание смеси попутного газа с хлором производят при температуре выше 1430°С.

Для осуществления способа большое значение имеет предварительный нагрев реагирующих компонентов. Передаваемая при предварительном подогреве теплота прибавляется к теплоте экзотермической реакции, благодаря чему происходит повышение температуры сжигания.

Повышение температуры сжигания Тсж при предварительном нагреве Тнагр определяют по известной формуле:

Тсж=Тнач+Тнагр/2 (1)

где Тнач - температура сжигания без подогрева.

Выбор Тнагр обусловлен двумя причинами. Первая из них следует из формулы (1). Чем больше подогрев, тем выше температура сгорания и тем лучше идет процесс реагирования.

При выборе верхнего предела Тнагр исходили из того, что устойчивое горение начинается с температуры 500°С [5]. Однако в целях исключения возможности возгорания подготавливаемой смеси (до начала реагирования) в процессе ее подогрева верхний предел температуры Тнагр понижают на 100°С, обеспечивая некоторый температурный запас. При этом диапазон температур, обеспечивающих ведение процесса, находится в пределах 300-400°С. Нагрев смеси до температуры ниже 300°С (нижний предел Тнагр) не обеспечивает достижение поставленной цели. Таким образом, предварительный подогрев компонентов производят до 300-400°С.

В целях предосторожности предпочтительно каждый газ подогревать отдельно до начала их смешения.

Нагрев производят электронагревателями или другими тепловыми источниками, размещенными с внешней стороны каждой из трубок, по которым подают нефтяной газ и хлор. Результаты нагрева контролируют термометрами.

Повышение температуры реакции делает процесс реагирования нефтяного газа с хлором более эффективным и способствует увеличению выхода сажи в сравнении с известным способом.

Предварительно подогретые газы турбулизируют, чем достигают полного реагирования всей смеси, при которой сводится к минимуму количество полностью или частично не прореагировавших ее составляющих, которые снижают выход сажи.

Применяют как пассивные, так и активные турбулизаторы в виде, например, винтовых вставок в трубы, как зафиксированных, так и вращающихся (соответственно пассивный и активный турбулизаторы). Сочетание нагрева и турбулизации потока повышает эффективность реагирования и увеличивает выход сажи до 80-90% вместо 20-62%, достигаемых при применении известного способа.

Другим полезным продуктом, получаемым в результате реакции, является соляная кислота, которую возможно применять тут же на промысле для обработки призабойной зоны скважины. Такая обработка приводит к увеличению коэффициента продуктивности скважины по нефтепромысловым данным в 5-10 раз и конечной нефтеотдачи на 5-10%.

Кроме увеличения выхода сажи повышается ее качество, характеризуемое ее высокой удельной поверхностью свыше 250 м²/г, что обеспечивает повышение ее абсорбционных и адгезионных свойств, обеспечивающее высокое качество материалов, в которые сажа входит в качестве сырья, таких как лакокрасочные материалы, резинотехнические, шинные изделия и изделия полиграфической промышленности. Кроме того, получают соляную кислоту.

Осуществление способа и его реализация

При утилизации попутного нефтяного газа, полученного в результате работы скважины, его направляют, например по трубе, в изолированное от внешней среды (реакционное) пространство. Одновременно в то же пространство подают хлор, например по другой трубе. При этом хлор и попутный нефтяной газ нагревают с помощью известных нагревателей до температуры 300-400°С и перемешивают.

Температуру фиксируют с помощью термометра и турбулизируют известным способом. Далее смесь сжигают при температуре выше 1430°С. В результате утилизации получают сажу и соляную кислоту.

Данный способ был реализован на нефтяном месторождении, расположенном на крайнем Севере и имеющем малые запасы нефти. Работает одна скважина с дебитом Q=4 т/сут. В нефти имеется газ. Газовый фактор составляет G=18 м³/т.

Попутный нефтяной газ состоит из следующих компонентов, %:

Метан 70

Этан 15

Пропан 10

Бутан 3,5

Остальные 1,5

В состав остальных газов входят азот, углекислый газ, сероводород.

Вместо подачи на факел газ из сепаратора и хлор направляют по отдельным трубам к месту их реагирования в изолированное от внешней среды (реакционное) пространство.

Реакционное пространство представляет собой емкость в виде цилиндра диаметром 2,5 м и длиной 4 м, внутри которой находится воспламенитель (печь). На входе к ней присоединены две подающие трубы, одна с нефтяным газом, другая с хлором. На выходе емкость заканчивается гибким шлангом, конец которого опущен в воду, заполняющую другую замкнутую емкость. При этом связь с внешней средой отсутствует, чем обеспечивают защиту окружающей среды от воздействия нефтяного газа.

Две подводящие трубы для нефтяного газа и хлора снабжены электронагревателями длиной 2 м каждый, обеспечивающими фиксированную температуру нагрева, равную 350°С. Электронагреватели установлены с внешней стороны труб. Внутри каждой трубы установлен датчик термометра для контроля за нагревом.

Смешение попутного нефтяного газа и хлора происходит на входе в реакционное пространство.

Турбулизацию потока создают вращающимся осевыми турбулизаторами со спиралевидными лопастями, частично помещенными (по одному) в каждой трубе и частично выходящими в реакционное пространство.

Определяют расход нефтяного газа за каждую минуту

Wгаз=GQ/24,60=18,4/24,60=0,05 м³/мин (2)

Для обеспечения протекания реакции соблюдают соотношение расхода нефтяного газа приведенного состава с расходом хлора, равное 1:2,1.

Wхлор=Wгаз·2,1=0,105 м³/мин.

При этих расходах текущее состояние углерода составляет 38,5 г/мин, а расчетное содержание НСl, исходя из состава реагентов, составляет 395 г/мин.

Определяют расчетную температуру реакции Тсж по формуле

Тсж=Тнач+Тнагр/2.

В известном способе без подогрева смеси температура реакции составила Тнач=1430°С [5]. Обеспечивается температура предварительного подогрева смеси, равная Тнагр=350°С. Отсюда определяют расчетное значение ожидаемой температуры сгорания из формулы

Тсж=1430+250/2=1605°С.

Предварительно подогретую и турбулизированную смесь воспламеняют с помощью воспламенителя (печи). Замеряют температуру реакции. Она составила 1610°С, что близко по значению к расчетной температуре.

Из выходящего гибкого шланга, опущенного в воду, поступает НСl в газообразном виде и растворяется в воде. Доводят концентрацию соляной кислоты в емкости до требуемой для дальнейшего использования, равной 6%, после чего шланг переводят в следующую емкость.

В результате утилизации попутного нефтяного газа в течение суток получают 17,2 т сажи. Для сопоставления по расходу нефтяного газа за то же время определяют теоретическое содержание углерода в нефтяном газе. Оно составило 20,2 т, что дало эффективность применения реакции, равной 85% от теоретически возможного количества сажи.

Определяют качество полученной сажи по величине ее удельной поверхности. Для этого используют хроматографический метод тепловой десорбции аргона. Удельная поверхность сажи, определенная по этому методу составила 263 м²/г, что свидетельствует о ее высоком качестве. По прототипу она была 170-233 м²/г.

Таким образом, применение способа позволяет повысить эффективность утилизации попутного нефтяного газа, увеличить выход сажи до 80-90% от теоретического в сравнении с 20-62% при известном способе, снизить степень загрязнения окружающей среды, повысить качество сажи, доводя ее удельную поверхность 250 м²/г, вместо 170-233 м² /г, получаемой по известному способу, и получить соляную кислоту.

Источники информации

1. Научные основы разработки нефтяных месторождений. М.-Л.: Гостоптехиздат, 1948.

2. Справочная книга по добыче нефти. Под редакцией Ш.К. Гиматудинова. М.: Недра, 1974. Глава XI. Системы сбора нефти и подготовка их к транспорту, стр. 484-521.

3. А.с. СССР №323420, кл. С 09 С 1/50, 1969.

4. Патент Англии №916785, кл. 90 К, 1963.

5. А.с. СССР №1323562, кл. С 09 С 1/48, 1987 (прототип).

Формула изобретения

Способ утилизации попутного нефтяного газа на нефтяных месторождениях сжиганием, отличающийся тем, что сначала попутный нефтяной газ и хлор нагревают до 300-400°С раздельно, затем смешивают и турбулизируют, а сжигание проводят при температуре выше 1430°С в изолированном от внешней среды пространстве.