Способ утилизации попутного нефтяного газа на нефтяных месторождениях

Реферат

 

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.