Результат интеллектуальной деятельности: Установка для повышения эффективности добычи газа

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может использоваться на газовых, нефтегазовых и нефтегазоконденсатных месторождениях, характеризующихся на начальном этапе эксплуатации избыточно высокими устьевыми давлениями, в два и более раз превышающими значения, необходимые для осуществления подготовки газа и передачи его потребителям в бескомпрессорном режиме.

В настоящее время избыточный перепад давлений компенсируют («срабатывают») посредством дросселя, что существенно снижает эффективность использования располагаемого перепада давлений пластового газа, т.к. часть пластовой энергии безвозвратно теряется.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому изобретению является модульная компрессорная станция (патент РФ №198343, F04D 25/00, опубл. 02.07.2020), содержащая первый модуль компрессорного агрегата и автоматизации, второй модуль сепарации, высоковольтного оборудования и дизель-генераторной установки, аппарат воздушного охлаждения. Первый модуль компрессорного агрегата и автоматизации и второй модуль сепарации, высоковольтного оборудования и дизель-генераторной установки соединены между собой посредством элементов разъемного соединения с образованием единого блока, на крыше которого установлен аппарат воздушного охлаждения.

Недостатками известного решения являются:

- отсутствие возможности управления температурой потока на входе в винтовой компрессор, что ограничивает возможность увеличения отношения давлений на входе и на выходе при компримировании в установке до значений, позволяющих исключить централизованную ДКС в составе промысловых систем обустройства месторождений. В известном решении увеличение отношения давлений возможно за счет увеличения единичной мощности установки и/или масштабирования (увеличения) системы охлаждения масла, подаваемого в проточную часть винтового компрессора, что соответственно повышает стоимость установки и снижает технологическую и экономическую эффективность ее применения;

- возможность повышения эффективности добычи газа только за счет компримирования низконапорного газа, что не позволяет обеспечить полезное использование потенциала энергии пласта в период высоких устьевых давлений, что повышает себестоимость процесса добычи газа.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание обратимой детендерно-компрессорной установки (ОДКУ), обеспечивающей выработку электрической энергии и необходимое давление на входе установки комплексной подготовки газа (УКПГ).

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности технологических процессов добычи газа в результате комплексного использования энергии давления пластового газа за счет применения ОДКУ, включающей обратимый винтовой детандер-компрессор (ОВДК), а также за счет возможности управления температурой газового потока на входе в ОВДК и подачи конденсата в винтовую пару. Техническим результатом также является повышение надежности установки вследствие применения фильтра грубой очистки, фильтра тонкой очистки и снижением общего уровня температур процесса компримирования газа.

Указанный технический результат достигается за счет того, что установка для повышения эффективности добычи газа включает соединительные трубопроводы, запорно-регулирующую арматуру, обратимый электрогенератор-двигатель, обратимый винтовой детандер-компрессор, насос, фильтр, первый аппарат воздушного охлаждения газа, второй аппарат воздушного охлаждения газа, коллектор смешения газа и жидкости, первую линию для жидкости, вторую линию для жидкости, линию для газа и скруббер-сепаратор, к входу которого параллельно подключены второй аппарат воздушного охлаждения газа и линия для газа. Выход скруббер-сепаратора по потоку жидкости через фильтр грубой очистки и насос соединен параллельно по первой линии для жидкости с коллектором смешения газа и жидкости и по второй линии для жидкости через фильтр тонкой очистки с обратимым винтовым детандер-компрессором. Выход скруббер-сепаратора по потоку газа соединен с обратимым винтовым детандер-компрессором, который через первый аппарат воздушного охлаждения газа соединен с коллектором смешения газа и жидкости. Обратимый винтовой детандер-компрессор содержит корпус с размещенной в нем винтовой парой, соединенной выходным валом с механической трансмиссией, которая подключена к обратимому электрогенератору-двигателю. Насос и первый аппарат воздушного охлаждения газа установлены с возможностью их отключения и направления потока газа и потока жидкости непосредственно в коллектор смешения газа и жидкости.

Согласно предлагаемому изобретению на начальном этапе эксплуатации месторождения ОДКУ, предназначенная для обеспечения необходимого давления на входе УКПГ, работает в режиме расширительной машины. После снижения устьевого давления ниже минимально необходимого для подготовки газа и его передачи потребителям установку ОДКУ переводят в режим компримирования. Передачу электрической энергии в режимах генерации и потребления возможно осуществлять через существующие на месторождении воздушные линии электропередач от энергосети или от электростанции собственных нужд (ЭСН).

Это позволяет:

- использовать потенциал энергии пласта в период высоких устьевых давлений для бестопливной генерации электрической энергии для собственных технологических нужд или для поставки сторонним потребителям.

- исключить потребность в ДКС за счет управления значением начальной температуры процесса компримирования в ОВДК за счет подачи конденсата в ОВДК и использования аппарата воздушного охлаждения (АВО) газа на входе в ОДКУ перед скруббер-сепаратором и, соответственно, управлять количеством выделяющейся жидкости, необходимой для обеспечения охлаждения сжимаемого газового потока до температур, позволяющих повысить отношение давлений в ОВДК в режиме компримирования без увеличения единичной мощности установки и/или масштабирования (увеличения) системы охлаждения масла, подаваемого в проточную часть винтового компрессора.

- повысить надежность надежности установки вследствие применения фильтра, установленного перед насосом и снижением общего уровня температур процесса компримирования газа.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема ОДКУ.

На фиг. 2 - принципиальная схема ОВДК.

ОДКУ включает:

- скруббер-сепаратор 1;

- ОВДК 2, содержащий винтовую пару 3, размещенную в корпусе 4, выходной вал 5, механическую трансмиссию 6 и технологическую обвязку: трубопроводы 7, обеспечивающие работу винтовой пары 3 в детандерном режиме, трубопроводы 8, обеспечивающие работу винтовой пары 3 в компрессорном режиме;

- электроприводной насос 9;

- обратимый электрогенератор-двигатель 10;

- первый АВО газа 11;

- коллектор 12 смешения газа и жидкости;

- первую линию 13 для жидкости, предназначенную для подачи жидкости в коллектор 12 смешения газа и жидкости;

- вторую линию 14 для жидкости, предназначенную для подачи жидкости в ОВДК 2;

- фильтр грубой очистки 15;

- второй АВО газа 16;

- линию для газа 17, предназначенную для подачи газа со скважин к скруббер-сепаратору при отключении АВО газа 16;

- фильтр тонкой очистки 18;

- запорно-регулирующую арматуру (ЗРА): отсечные краны, перепускные клапаны, обратные клапаны;

- соединительные трубопроводы (в т.ч. трубопроводы перепуска).

К входу скруббер-сепаратора 1 подключены параллельно второй АВО газа 16 и линия для газа 17. Выход скруббер-сепаратора 1 по потоку жидкости через фильтр грубой очистки 15 и насос 9 соединен параллельно по первой линии 13 для жидкости с коллектором 12 смешения газа и жидкости и по второй линии 14 для жидкости через фильтр тонкой очистки 18 с входом ОВДК 2. Выход скруббер-сепаратора 1 по газовому потоку соединен с ОВДК 2, который через первый АВО газа 11 соединен с коллектором 12 смешения газа и жидкости. Винтовая пара 3 соединена выходным валом 5 с механической трансмиссией 6, которая подключена к обратимому электрогенератору-двигателю 10. Насос 9 и первый АВО газа 11 установлены с возможностью их отключения и направления газового потока и жидкости непосредственно в коллектор 12 смешения газа и жидкости с помощью ЗРА и соединительных трубопроводов (перепускных трубопроводов).

ОДКУ компонуют из известных устройств промышленного производства, кроме ОВДК 2, основными отличиями которого от существующих винтовых компрессоров и детандеров являются:

- возможность работы установки как в компрессорном, так и в детандерном режимах;

- наличие технологической обвязки (трубопроводы 7, 8) обеспечивающей возможность работы установки как в компрессорном, так и в детандерном режимах;

- наличие механической трансмиссии 6, обеспечивающей соединение выходного вала ОВДК 2, как с полезной нагрузкой - потребителем производимой механической энергии, вырабатываемой в период генерации, так и с приводным двигателем, который обеспечивает электроэнергией ОВДК 2 в режиме компримирования. В предлагаемой ОДКУ функции потребителя и приводного двигателя выполняет один элемент установки: обратимый электрогенератор-двигатель 10.

ОВДК 2 предназначен для выполнения следующих технологических функций:

- в детандерном режиме производить механическую энергию (путем реализации процесса расширения газа с высокого давления газа до минимально необходимого для штатной работы промысловых технологических систем - газосборных сетей, УКПГ и т.п.) для передачи ее внешней полезной нагрузке для выработки электрической энергии.

- в компрессорном режиме обеспечивать повышение давления газового потока (с давления газа, поступающего от скважин, до давления, необходимого для прохождения газа по газосборной сети до УКПГ с проектным давлением, необходимым для осуществления процесса подготовки газа к транспорту).

Винтовая пара 3 представляет собой два вала, поверхность каждого из которых имеет винтовой профиль, один из валов соединен с выходным валом 5 и совершает вращательное движение, а второй закреплен в независимых опорах и неподвижен. Упомянутые валы, оси которых параллельны, расположены в корпусе 4 с минимально допустимым зазором (определяется прочностными характеристиками материалов валов и точностью их изготовления) между винтовыми профилями. Винтовые профили рассчитывают и изготавливают таким образом, что объем свободного пространства между валами монотонно и непрерывно меняется от наименьшего значения к наибольшему таким образом, что имеется «узкая» и «широкая» части винтовой пары 3 ОВДК 2. Величина наименьшего и набольшего объемов свободного пространства между валами определяется значением давления, температуры и количеством газа, поступающего в ОВДК 2 при его работе в детандерном и компрессорном режимах. Причем для реализации процесса расширения необходимо обеспечить движение газа от «узкой» части к «широкой» части винтовой пары, а для реализации процесса компримирования - от «широкой» части к «узкой» части винтовой пары 3.

Винтовые пары широко применяются в промышленности для создания винтовых детандерных и компрессорных установок. Отличительной особенностью винтовой пары 3, применяемой в ОВДК 2, является то, что ее рассчитывают для обеспечения параметров работы предлагаемой установки как в компрессорном, так и в детандерном режимах.

Предлагаемая ОДКУ работает следующим образом.

На начальном этапе эксплуатации месторождения, характеризующемся избыточно высокими устьевыми давлениями (режим генерации электрической энергии), газовый поток со скважин, обладающий высоким давлением, превышающим значение, необходимое для обеспечения подготовки газа и передачи его потребителю, направляют по линии для газа 17 сначала в скруббер-сепаратор 1, в котором его разделяют на поток газа и поток жидкости, после чего поток жидкости по первой линии 13 для жидкости направляют в коллектор 12 смешения газа и жидкости. При этом второй АВО газа 16 отключен с помощью ЗРА. В режиме генерации жидкость обладает высоким давлением, поэтому насос 9 отключен посредством ЗРА и жидкость поступает непосредственно в коллектор 12 смешения газа и жидкости под собственным давлением по трубопроводам перепуска. Газовый поток из скруббер-сепаратора 1 направляют в ОВДК 2, который на данном этапе работает в детандерном режиме, где газовый поток по трубопроводам 7, обеспечивающим работу винтовой пары 3 в детандерном режиме, поступает в винтовую пару 3 для расширения, т.е. на «узкую» часть. Газовый поток расширяется в винтовой паре 3, поэтапно проходя свободное пространство, образуемое винтовыми профилями винтовой пары 3 от «узкой» к «широкой» части, при этом увеличивается объем, занимаемый газом, снижается давление газа (до минимально необходимого для штатной работы промысловых технологических систем и вырабатывается механическая работа, которую посредством выходного вала 5 и механической трансмиссии 6 отводят на обратимый электрогенератор-двигатель 10, где ее преобразуют в электрическую энергию. После расширения в ОВДК 2 поток газа обладает низкими температурами, поэтому на данном этапе первый АВО газа 11 отключен и газовый поток с помощью ЗРА направляют по трубопроводам перепуска непосредственно в коллектор 12 смешения газа и жидкости, где его смешивают с жидкостью и выводят в газосборную сеть и далее потребителям (для обеспечения транспорта, подготовки и переработки газа и т.п.). Полученную электроэнергию, выработанную без затрат топлива, используют для собственных технологических нужд на месторождении путем передачи потребителям электрической энергии по существующим на месторождении воздушным линиям электропередач и/или направляют во внешнюю электрическую сеть. На более позднем этапе эксплуатации месторождения, по мере снижения пластового давления до значения, при котором невозможно обеспечить подготовку газа и передачу его потребителям, подключают насос 9 и первый АВО газа 11 путем переключения отсечных кранов и ОДКУ переводят в режим компримирования низконапорного газа. Поток природного газа от скважин, обладающий низким давлением, направляют в скруббер-сепаратор 1, в котором его разделяют на поток газа и поток жидкости. Поскольку в режиме компримирования низконапорного газа жидкость обладает низким давлением, ее после скруббер-сепаратора 1 направляют через насос 9, в котором давление жидкости повышают до давления, необходимого для подачи в газосборную сеть, по линии 13 для жидкости в коллектор 12 смешения газа и жидкости. При этом предварительно перед подачей в насос 9 жидкость проходит через фильтр грубой очистки 15, в котором происходит отделение механических примесей в соответствии с требованиями к жидкости, поступающей в насос 9, что повышает надежность работы насоса 9 и всей установки в целом. Газовый поток после скруббер-сепаратора 1 направляют в ОВДК 2, который на данном этапе работает в компрессорном режиме. При этом поток газа, поступающий на вход ОВДК 2 с низким давлением, поступает по трубопроводам 8, обеспечивающим работу винтовой пары 3 в компрессорном режиме, для сжатия, т.е. на «широкую» часть. Газовый поток сжимают в винтовой паре ОВДК 2, поэтапно пропуская его через свободное пространство, образуемое профилями винтовой пары, от «широкой» к «узкой» части. При этом происходит снижение объема, занимаемого газом, и повышается его давление до значения, необходимого для прохождения газа по газосборной сети с проектным давлением, необходимым для осуществления процесса подготовки газа к транспорту. Работа ОВДК 2 в компрессорном режиме обеспечивается за счет энергии обратимого электрогенератора-двигателя 10, который в период компримирования низконапорного газа работает в режиме электрического двигателя, необходимая для его работы электрическая энергия при этом поступает по воздушным электрическим линиям месторождения или от ЭСН. Энергию обратимого электрогенератора-двигателя 10 передают винтовой паре 3 ОВДК 2 посредством механической трансмиссии 6 и выходного вала 5. После компримирования поток газа обладает высокими температурами, поэтому газовый поток после компримирования в ОВДК 2 направляют в первый АВО газа 11, в котором охлаждают его до температуры, достаточной для предотвращения гидратообразования, и направляют в коллектор 12 смешения газа и жидкости. В коллекторе 12 смешения газа и жидкости смешивают поток жидкости с газовым потоком, после чего смешанный газожидкостной поток выводят в газосборную сеть. В результате давление газа повышают до давления, определенного с учетом потерь давления в газотранспортной системе (ГСС), и требуемого давления на входе в УКПГ, при этом снижают скорости движения газа в ГСС, что исключает необходимость обеспечения допустимых значений скоростей газа в ГСС путем увеличения площади, через которую проходит газ.

По мере снижения давления газа и соответствующего увеличения отношения давлений в ОВДК, происходит увеличение температур газа, что ограничивает возможность увеличения отношения давлений как исходя из-за надежности применяемых материалов, так и вследствие возрастания энергоемкости процесса сжатия. Для снижения уровня температуры газа и энергоемкости процесса сжатия в ОВДК 2 часть жидкости после насоса 9, подается по второй линии 14 для жидкости в ОВДК 2 через фильтр тонкой очистки 18, в котором происходит дополнительная очистка жидкостного потока в соответствии с требованиями к жидкости, поступающей в ОВДК 2, что обеспечивает повышение надежности работы ОВДК 2 и всей установки в целом. Температура жидкости и количество жидкости регулируются посредством охлаждения входного потока газа со скважин во втором АВО газа 16 и посредством ЗРА. Ввод второго АВО газа 16 в работу осуществляется посредством ЗРА: линия для газа 17 отключается, а второй АВО газа 16 подключается для работы. При использовании второго АВО газа 16 также снижается и температура газового потока, что приводит к синергетическому эффекту снижения рабочих температур.

Таким образом, реализация предлагаемого изобретения обеспечивает повышение эффективности добычи газа, что обусловлено:

- рациональным использованием пластового давления;

- снижением потребности в покупке или в генерации электрической энергии для нужд месторождения, что позволяет снизить объемы электрической энергии, закупаемой у генерирующих компаний и, следовательно, снизить выбросы в атмосферу загрязняющих веществ, образующихся при работе ЭСН;

- повышением технологической гибкости системы добычи газа за счет возможности дифференцированного управления работой отдельных добывающих скважин (кустов скважин);

- исключением потребности в ДКС вследствие перехода на работу на месторождении по схеме распределенного компримирования при снижении пластового давления. При этом отсутствует необходимость дополнительных капитальных вложений, т.к. ОДКУ являются обратимыми и вводятся в работу на начальном этапе разработки месторождения,

-снижением расхода масла, т.к. исключается необходимость увеличения его количества для охлаждения сжимаемого газа по мере увеличения отношения давлений,

- повышением надежности установки вследствие применения фильтра грубой очистки, фильтра тонкой очистки и снижения общего температурного уровня за счет применения АВО газа на входе в установку и подачи жидкости в ОВДК в период компримирования.