СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ГАЗОВ ПРОДУВКИ СКВАЖИН, ВЫХОДЯЩИХ ИЗ БУРЕНИЯ НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ СЕРНИСТЫХ ГАЗОВ

Полезная модель относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использована для защиты окружающей среды от избытка сероводорода и сернистого газа, выбрасываемых в атмосферу при освоении и продувках скважин, выходящих из бурения на месторождениях природных газов с высоким содержанием серосоединений.

После окончания бурения, подземного или капитального ремонта скважин газовые скважины осваиваются путем замены содержимого забоя скважины водой с последующей аэрацией. При получении притока газа ствол скважины очищается отработкой ее на факел. В действующих «Правилах разработки газовых и газоконденсатных месторождений» время продувки скважин в процессе их освоения ограничено сутками. При этом учитывается, что при освоении газовых скважин основная масса механического материала выбрасывается в первый момент продувки. В последующем выносится глинистый раствор и его фильтраты с твердыми частицами, создающими опасность возникновения песчаных и других пробок, которые ликвидируются продувкой в атмосферу до восстановления рабочего дебита скважины [O.K. Макаров, Ю.Д. Фомин, В.Д. Шуленина. Экспрес-информация. Геология, бурение и разработка газовых месторождений, №12, июнь. 1976. М.: ВНИИГАЗ С. 29-33]. При этом сбрасываются на факел миллионы кубометров газа без учета влияния на экологическое состояние региона.

Известно факельное устройство для сжигания природного газа, содержащего углеводородный конденсат, воду, сероводород, устанавливаемое в земляном амбаре на устье скважинного отвода, и состоящее из факельной горелки с рассекателем в виде тела Коанда, корпусом с соосно установленной трубой, опору дежурной горелки, взрывной горелки. Продувочные газы, поступающие на факельную горелку, разделяются на два потока. Первый поток выходит по оси факельной горелки. Второй поток газа выходит через отверстие в корпус, где отделяется от жидкой фазы и поступает через боковой зазор к криволинейному участку рассекателя. Жидкая фаза удаляется из корпуса через отсасывающую трубку первым потоком газа. Необходимый для сгорания воздух инжектируется газом из атмосферы за счет эффекта Коанда, возникающего при обтекании газом криволинейного участка рассекателя. Розжиг топливного газа производится с помощью дистанционного запального устройства [Устройство факельное. Ротапринт ВНИИЭГазпрома. Л-45444. М.: 1980].

При продувке скважин, выходящих из бурения, известное факельное устройство не может функционировать, так как периодически забивается породой и остатками бурового раствора. При этом невозможно добиться полноценной нейтрализации сероводорода путем его окисления и перевода в менее токсичные серосоединения.

Эти же недостатки характерны и для продукции ЮжНИИгипрогаза, специально разработанной для сжигания сбросных газов (продувка скважин и промыслового оборудования). Например, горизонтальное факельное устройство типа ГФУ 2.00.000, предназначенное для сжигания продувочных газов ремонтируемых скважин, устанавливается в земляном амбаре, но функционирует только после очистки забоя скважины [В.В. Мамистов, В.А. Кравченко, Е.И. Чернов, С.Д. Минаков. Техника для термического обезвреживания промстоков и сжигания сбросных газов. Газовая промышленность. 1984, июль, С. 18-20].

Таким образом, отсутствует прототип установки, нейтрализующей газы продувки скважины до экологически безопасного уровня.

Целью полезной модели явилось создание мобильной установки обезвреживания продувочного скважинного флюида, содержащего механические примеси, воду, газовый конденсат и природный газ с примесью сероводорода, причем без нанесения ущерба для окружающей среды. В задачи, решаемые установкой, входили: а) необходимость разделения пульсирующей по составу и по давлению струи скважинного флюида, б) создание восстановительной атмосферы в топочном устройстве, способствующей пиролизу углеводородов и без каталитическому восстановлению серы из сероводорода, в) охлаждение дымовых газов после конверсии до точки росы серосоединений, г) удаление серы из потока конверсионных газов.

Поставленные задачи согласно заявляемой полезной модели решались передвижной установкой обессеривания газов продувки скважин, выходящих из бурения или капитального ремонта на месторождениях природных газов с высоким содержанием серосоединений, имеющая в составе гравитационный сепаратор, дезинтегрирующий струю скважинного флюида; топочное устройство, создающее восстановительную атмосферу, благоприятствующую пиролизу углеводородов и конверсии сероводорода; теплообменник, снижающий температуру конвертируемых газов до точки росы серосоединений; и скрубберный конденсатор серы, способствующий удалению аморфной серы из потока очищенных газов перед их сбросом в окружающую среду; при этом в составе очищенного газа преобладают азот, водород и оксид углерода, с примесью углекислого газа и паров воды, а в конденсированной фазе - аморфная сера с примесью газовой сажи и сернистой кислоты.

Схема устройства представлена на рисунке.

Гравитационный сепаратор состоит из перекрытого земляного прискважинного амбара, в который открывается факельный отвод -1, пульсирующая струя флюида из которого теряет дальнобойность, ударяясь о многорядные турбуляционные решетки -2 и разделяется на фазы. При этом в перекрытии -3 амбара имеются три отверстия, обеспеченные фланцевым и угловыми переходами: основной газоход - 4 диаметром 500 мм, ведущий к основной горелке топочного устройства, вспомогательный -5 диаметром 50 мм, ведущий к запальной горелке, и штуцер -6 диаметром 50 мм для откачки жидкостной фазы скважинного флюида в топку.

Топочное устройство представлено установленной на платформе циркулярной печкой с облегченной футеровкой, в которой происходит не сгорание углеводородов, а их пиролиз из-за резкой недостачи воздуха (а=0,25-0,3). Задачу снижения температуры пламени решали снижением наружной теплоизоляции печи; использованием не подогретого и не осушенного газа и впрыском жидкой фазы скважинного флюида в зону горения. Задачу сокращения длины факела пламени основной горелки-7 решали встречной подачей вторичного воздуха -8, создающего эффект закручивания пламени, использованием турбуляризатора пламени -9 и огнепреградителя -10 на выходе из топки. Запальная горелка -11, электрозапальник -12 и автоматика контроля пламени работали в обычном режиме. Новым признаком была установка блоков термогенераторов -13 скоммутированных с термохолодильниками -14 вокруг блока теплообменника -15.

В общем виде процесс деструкции углеводородов в азотно-кислородных смесях представлен подтвержденным экспериментально уравнением [Карп И.Н. и др. Продукты сгорания природного газа при высоких температурах, Киев, 1967, С. 360]:

C_nH_m+α(n+m/4)O₂+α(n+m/4)x(100/A-1)N₂=CO₂; СО; Н₂, H₂O; N₂; CH₄,

где А - содержание кислорода в азотно-кислородной смеси, % (20%); α - коэффициент избытка окислителя (α=0,4-2,0). При этом при α=0,35 и при Т=1301 К в диапазоне давлений Р=1-30 атм авторами получен состав конвертируемого газа (% по объему): СО₂=2,009; СО=17,92; H₂O=2,382; Н₂=37,47; N₂=35,83; СН₄=4,391%_об.

Термодинамика получения элементарной серы состоит из нескольких типов реакций:

1. Восстановление серы в потоке углеводородов:

1a) SO₂+CH₄→S_n (при Т=1200°С); 1б) SO₂+2CO↔2CO₂+Sn (реакция убывает с повышением температуры свыше 400°С

2. Реакция термической диссоциации сероводорода: 2H₂S↔S₂+2H₂

Реакция описана P. Grancher [P. Grancher. «Hydrocarbon Proc», 1987, v. 78. N 7. р. 155-160. цит. по Жорову Ю.М. Термодинамика химических процессов. М.: Химия, 1985]. Реакция мало зависит от давления, происходит при температурах 400-1600 К при оптимуме t=800К.

3. Клаус-реакция [Жоров Ю.М. Термодинамика химических процессов. Нефтехимический синтез, переработка нефти, угля и природного газа. - М.: Химия, 1985. С. 350-353] (одно или двухступенчатая в зависимости от содержания кислорода):

a) H₂S+0,5O₂→H₂O+S; б) H₂S+1,5O₂→H₂O+SO₂;

в) 2H₂S+SO₂→2H₂O+3/nS.

4. Реакция Юшкевича Н.Ф (1926-1933, цит. по Вилесову, 1967, с. 161-163):

2SO₂↔4H₂O+S₂ При оптимуме t=800°C 60% SO₂ переходит в серу.

При повышении температуры реакция сдвигается влево.

5. Самоокисление SO₂ в серу в водных растворах при отсутствии

кислорода: 3SO₂→2SO₃ + S₂ (катализатором является элементарная сера

(цит. по Вилесову, 1967, с 34).

6. Растворение сероводорода водой: 3V H₂S÷1V H₂S.

В задачи теплообменника -15 входило максимальное снижение температуры конвертируемых газов до температуры росы серосоединений. Задача решалась установкой блоков термохолодильников -14 и теплоотдачей неизолированной стальной трубы.

Скрубберный конденсатор серы -16 представляет собой установленную над поглощающей траншеей -17 оросительную колонну с набором эвольвентных оросителей -18 закручивающих поток газов и направляющих их к стенками колонны. На выходе из колонны установлены блоки каплеуловителей -19, а в нижней части- сборники серы -20 и воды -21, используемой для рециркуляции оросителей -18.

Надо признать, что состав дымовых газов непрерывно изменяется и по выходу из поточного устройства он отличается от состава газов, например, в конденсаторе серы. Для нейтрализации сероводорода основой является реакция Клауса, но не в привычном заводском исполнении получения серы, а по признаку острой нехватки кислорода: H₂S+0,5O₂→H₂O+S.

В конденсаторе на пределе низких температур могут происходить и другие реакции. В частности, равновесное содержание COS и CS₂ в отходящих газах после конверсии сероводородсодержащих кислых газов значительно ниже, чем наблюдаемое в эксперимента (0,5-2%моль).

CH₄+2/nSn→CS₂+2H₂; CH₄+SO₂→COS+H₂O+H₂; CO₂+H₂S→COS+H₂O; CO₂+3/n→CS₂+SO₂; 2CO₂+1/nSn→2CO+SO₂; CO₂+SO₂→COS+1,5O₂; C+1/nSn→COS; 2CO+2/nSn→CO₂+CS₂; CO+2H₂S→CS₂+H₂O+H₂; 3SO₂+2CH₄→2CO₂+2H₂O+2H₂S+1/nS; CH₄+H₂S→CH₃SH+H₂. [Жоров Ю.М. Термодинамика химических процессов. Нефтехимический синтез, переработка нефти, угля и природного газа. - М: Химия, 1985. С. 350-353].

Однако появление сероокиси углерода и сероуглерода за пределами зоны орошения не ожидается, так как эти соединения при малой растворимости в воде гидролизуются водой при температурах свыше 427 К с образованием углекислого газа и сероводорода [Лазарев Н.В. Вредные вещества в промышленности. Справочник. Т. 3. Химия, Л.О, 1977]. В связи с этим возможно появление вторичного сероводорода в отходящих газах в пределах 0,5 % от исходного содержания. Ввиду низких собственных температур (нет подвода энергии извне) продукты горения не диссоциируют, поэтому количество компонентов реакции при неполном окислении метано- азотно-кислородных смесей уменьшается [Карп И.Н. и др. Продукты сгорания природного газа при высоких температурах, Киев, 1967, С. 360].

Сажеобразование при конверсии метана кислородно-азотными окислителями (исследовано А. Фиумара и Г. Сальви, 1956, цит. По Карп 1967): СН₄↔С+2Н₂; C+H₂O↔CO+H₂; 2СО↔CO₂+С. При этом установлено, что соотношение O₂:СН₄, обеспечивающее отсутствие сажи, равно 0,602 при Т=1000 К и α=0,301.

Таким образом, при расчетной температуре в 864°С продукты конверсии метана состоят из 1,57 % сажи и 96,84 % водорода. Причем степень конверсии метана зависит не только от температуры, но и от длительности контактирования с поверхностью нагрева. Все решается в пределах одной секунды.

В качестве примера конкретного исполнения приводим итоговые результаты экспериментов для средне-дебитной скважины.

Дебит скважины №5 на АГКМ Q=564 тыс. м³/сутки, при плотности 1,302 кг/м³ и молекулярной массе равной 31,3 кг/моль. Компонентный состав, %: С₁-С₄=250,0 см³/м³; С_{5+высшие}=240 см³/м³ пластового газа, в том числе: СН₄=47,48; С₂Н₆=1,92; С₃Н₈=0,93; С₄Н₁₀=0,55; С_5+В=3,08; N₂=l,94; CO₂=21,55; H₂S=22,5; ΣRSH=0,02.

Мы провели вычисление материального баланса астраханского газа при α=0,25 и получили итоговый состав сбрасываемых в атмосферу очищенных газов, %_об:

N₂=50,45; Н₂=21,85; СО=18,14; СО₂=2,058; пары воды=7,79%.

Состав конденсированной фазы: коллоидная сера (S₂-S₆) до 70 % от исходного содержания сероводорода в газе (остальное сернистая кислота) и до 2 % кристаллического углерода (аморфная сажа). Конденсированная фаза накапливается в траншее под конденсатором серосоединения. При этом отсутствует опасность загрязнения подрусловых вод, так как сернистая кислота - химически активный элемент и быстро вступает в реакцию с минеральной составляющей аллювиальных вод.

Таким образом, поставленная цель реализовывалась следующими инженерными решениями.

Гравитационный сепаратор представлен земляным амбаром емкостью 150 м³, предназначенным для сепарации скважинного флюида состава 85 м³ задавочной жидкости и глинистого раствора и не менее 5,83 м³ конденсата/час при газовой составляющей 23,5 тыс. м³/час газовой фазы.

Топочное устройство в виде циркулярной печи (рабочим весом 11504 кг) выполнена в виде установленной на платформе стальной трубы (0,012×2,0×5,9м), футерованной изнутри кирпичной двухслойной облегченной кладкой из рабочего огнеупора (шамотного кирпича толщиной 0,065) и легковесной теплоизоляции (пено-диатомового кирпича толщиной 0,065). В торец топки вводится запальная горелка типа ГНП-7 с наконечником типа «А», воздухообеспечиваемая с а=1,0; L₀=7,77 м³/м³ газа вентилятором. Газ, подаваемый на горение запальной горелки -11 из гравитационного сепаратора под избыточным давлением, запитан по газоходу диаметром 50 мм. Электрозапальник -12 запальной горелки -11 имеет для работы баллонированное обеспечение (5,0 кг/час с запасом на 10 часов непрерывной работы). Автоматика контроля пламени соответствует требованиям к стационарным котельным, все оборудование выполнено во взрывозащищенном исполнении, все электросети размещены в трубах.

Основная горелка -7 съемная в зависимости от ожидаемого дебита скважины. В исходном положении проведены расчеты для горелки, выполненной в виде инжекционной саморегулирующей горелки с расходом первичного воздуха а=0,25! Принят смешанный тип сжигания с растянутым способом перемешивания вторичного воздуха, водимого тангенциально под углом 45° навстречу потоку газа с созданием закручивающего момента. Эти конструктивные моменты обеспечивают сжигание газа на слое рабочего огнеупора в восстановительной атмосфере при температуре 864°С. Расчетная температура кладки составляет +776,7°С, тогда как температура наружной поверхности не превышает 122°С. [Расчеты проведены на основе рекомендаций, изложенных в Справочном руководстве для расчетов и проектирования. Казанцев Е.И. «Промышленные печи», изд. 2. Москва, Металлургия, 1975, 368 с; и Равич М.Б. «Эффективность использования топлива». Изд. Наука. 1977, 344 с.]

Для разгрузки гравитационного сепаратора предусмотрена откачка и распылительный впрыск жидкостной составляющей продувочных флюидов шламовым насосом в зону максимального горения топочного устройства через специальный узел впрыска, расположенный снаружи теплоизоляции трубы на расстоянии 3,3 м от устья основной горелки. При этом расход тепла за один час работы при сжигании 85,5 м³ задавочной жидкости составит 58507,4 ккал, при сжигании 100 м³ - 68429,7 ккал, что соответствует потерям 0,2 % тепла топки по сводному балансу. Проведение термохимического процесса в восстановительной среде с химическим недожогом а=0,335 даст 5,03 м³ дымовых газов на каждый кубометр пластового флюида с примесью паров серы. Расчетная температура дымовых газов по выходе из топочного устройства составляет 486°С.

Скрубберный конденсатор серосоединений -16. Реализует идею удаления серосоединений из конвертированных газов путем охлаждения всего потока до точки росы серосоединений, переводя их таким образом из неуправляемой газовоздушной фазы в локальную жидкостную. Поток конвертированных газов при входе в конденсатор -16 резко теряет скорость как из-за различий в диаметрах теплообменника -15 и конденсатора -16, так и под действием потока струй, прижимающих поток к стенкам конденсатора. Конденсатор -16 представляет собой полую распылительную колонну прямоугольного типа размерами 3,3×5,0×6,0 м с кассетами сетчатых брызгоотделителей -19 (ГОСТ 2715-75) толщиной до 160 мм, установленных в выходном сечении конденсатора. Конденсатор устанавливают над траншеей сбора -20 парового конденсата, элементарной серы и раствора сернистого ангидрида в воде. Система эвольвентных спринклерых распылителей -18 (ЭО-16-30-25) с разно-температурными тепловыми замками автоматически включает распылители воды с каплями 120-250 мкм и общей плотностью орошения до 0,388 кг/м³ секунду. Расчетный коэффициент массопередачи (1670 кг/сек/м³/атм) со скоростью 0,856 кг/м³⋅сек, меньше критической скорости уноса капель жидкости (1,08 кг/сек⋅м) для распылительных колонн данного размера. Причем, при заданной суммарной плотности орошения (0,388 кг/м³/сек) высота единиц переноса (Нм) при межфазовом обмене составляет 0,4859 м или 137,76 кг/сек⋅м³⋅атм., а объемный расчетный коэффициент теплоотдачи составил 204,29 ккал/м³⋅ч⋅°С. При этом распылители расположены ацентрично: первый вдоль потока дымовых газов под углом 60 градусов, средний- сбоку и навстречу очищаемых газов, третьего снаружи-над поверхностью каплеотделителей -18.

Расчетная температура очищенных газов, выбрасываемых в атмосферу, составляет +99°С. Общий расход воды, подаваемый по центральному водоводу проходным диаметром 32 мм с уклоном i=0,01 при свободном напоре перед тупиковым спринклером 15-85 м, составляет 7,1 кг в секунду. Водоводы монтируются по месту из труб по ГОСТ 3262-75 (водо-газопроводные трубы).

После монтажа установки по месту её обслуживает один оператор котельной не ниже 4 разряда. При этом на рабочей площадке ему предоставлено взрывозащищенное рабочее место со средствами связи и индивидуальной защиты. Монтаж установки проводится силами буровой бригады под контролем представителя производителя - ПО «Технология». Всего на месторождении сернистых газов или нефтей требуется одна установка, передвигаемая тракторами к месту локализации очередной скважины, выводимой из бурения или капитального ремонта.

Таким образом, поставленная цель: пиролиз углеводородов в сочетании с конверсией сероводорода в мобильном устройстве решалась впервые, что придает заявляемой полезной модели статус новизны и соответствие требованиям патентопригодности.