Система обустройства месторождения тяжёлой нефти и природного битума

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к системам нефтепромыслового обустройства при разработке месторождений тяжёлой нефти и природного битума.

Известна герметизированная высоконапорная система сбора и транспортирования нефти, газа и воды для больших площадей месторождения (см. учебник: Лутошкин Г.С. Сбор и подготовка нефти, газа и воды. М.: Недра, 1979. – С. 22 – 24), включающая эксплуатационные скважины, выкидные линии, автоматизированную групповую замерную установку «Спутник», сборный коллектор для нефти, газа и воды, дожимную насосную станцию, сборный коллектор частично дегазированной нефти, установку подготовки нефти, герметизированные попеременно работающие товарные резервуары, центробежные насосы, автоматизированную установку по измерению качества и количества товарной нефти «Рубин-2м», автоматически открывающиеся и закрывающиеся краны, коллектор товарной нефти, товарные резервуары, магистральный нефтепровод, установку подготовки воды, водовод, кустовую насосную станцию, водовод высокого давления, нагнетательную скважину, газопровод, эжектор, газоперерабатывающий завод, контур нефтеносности.

Недостатками данной системы являются: во-первых, низкая эффективность разработки нефтяного месторождения путём закачки воды в продуктивный пласт в случае добычи тяжёлой нефти и природного битума; во-вторых, отсутствие подачи деэмульгатора в продукцию скважин в системе нефтесбора; в-третьих, отсутствие подачи ингибитора коррозии в очищенную воду, направляемую в систему поддержания пластового давления (ППД).

Наиболее близкой по технической сущности является система обустройства месторождения тяжёлой нефти и природного битума (патент RU № 2652408, МПК Е21В 43/16, B01D 19/00, опубл. 26.04.2018 в бюл. № 12), включающая источник пресной воды, добывающие скважины, блок дозирования деэмульгатора, групповую замерную установку, дожимную насосную станцию, установку подготовки нефти, блок очистки от сероводорода, блок водоподготовки, кустовую насосную станцию, блок дозирования ингибитора коррозии, нагнетательные скважины, парогенератор, паронагнетательные скважины, систему трубопроводов. В блок очистки от сероводорода поступает слабощелочная (рН=7÷8) попутно добываемая вода, содержащая растворённый в ней сероводород преимущественно в виде гидросульфидов и сульфидов. Вытеснение из этих соединений сероводорода и выведение его в молекулярной форме в газовую фазу из попутно добываемой воды отдувкой дымовыми газами парогенератора, несмотря на высокую концентрацию диоксида углерода, протекает недостаточно эффективно, что требует повышенных расходов дымовых газов, а, следовательно, больших габаритов десорбционного оборудования и высокой производительности вентиляторов (газодувок) и вытекающих из этого энергетических затрат. Сероводород, перешедший в газовую фазу, удаляется из системы с отработавшими дымовыми газами (газами отдувки). Из блока очистки от сероводорода отработавшие дымовые газы, содержащие извлеченный из воды сероводород, направляются по трубопроводу отвода на обезвреживание дымовых газов на обезвреживание сероводорода, например, путем сжигания в печи или на факеле, химической нейтрализации на узле нейтрализации сероводорода и т.д. с последующим выбросом обезвреженных дымовых газов в атмосферу.

Недостатками известной системы являются относительно низкая эффективность процесса очистки попутно добываемой воды от сероводорода, обусловливающая высокий расход дымовых газов, сопровождающийся необходимостью установки десорбционного оборудования больших габаритов и вентиляторов (газодувок) высокой производительности и связанные с этим высокие энергетические затраты, необходимость утилизации отработанных дымовых газов, содержащих извлечённый из воды сероводород, что при обычном их сжигании на факеле приводит к загрязнению атмосферы оксидами серы.

Техническими задачами предлагаемого изобретения являются повышение эффективности работы системы обустройства месторождения тяжёлой нефти и природного битума за счёт интенсификации процесса очистки воды, снижение капитальных затрат на очистное оборудование и энергетических затрат на перекачку дымовых газов, а также экологичность, простота процесса и расширение технологических возможностей.

Технические задачи решаются системой обустройства месторождения тяжёлой нефти и природного битума, включающей добывающие скважины, соединённые через трубопровод продукции скважин с блоком дозирования деэмульгатора, групповой замерной установкой, дожимной насосной станцией и установкой подготовки нефти, которая оснащена системой нагрева продукции скважин через трубопровод топливного газа, оснащена трубопроводом товарной нефти, трубопроводом попутного нефтяного газа и трубопроводом попутно добываемой воды, который сообщён с блоком очистки от сероводорода, соединённым через трубопровод очищенной попутно добываемой воды с блоком водоподготовки, соединённым через трубопровод стоков с кустовой насосной станцией, а через трубопровод глубокоочищенной воды – с парогенератором, соединённым с трубопроводом топливного газа, а через паропровод сообщён с паронагнетательными скважинами, при этом блок водоподготовки снабжён трубопроводом уловленной нефти для её возврата на установку подготовки нефти, а также соединён через трубопровод пресной воды с источником пресной воды, а блок очистки от сероводорода выполнен с возможностью отдувки попутно добываемой воды отводимыми от парогенератора дымовыми газами, подаваемыми в блок очистки от сероводорода по трубопроводу отвода дымовых газов от парогенератора.

Новым является то, что блок очистки от сероводорода соединён трубопроводом отвода на обезвреживание дымовых газов, содержащих извлеченный из воды сероводород, с блоком окисления сероводорода, оснащённым трубопроводом подачи окислителя (преимущественно воздуха), трубопроводом топливного газа и трубопроводом отвода очищенных от сероводорода дымовых газов, соединённым со свечой рассеивания, трубопроводом отвода серной кислоты в трубопровод попутно добываемой воды на вход в блок очистки от сероводорода и трубопроводом отвода пара в паропровод на выходе парогенератора, при этом установка подготовки нефти соединена трубопроводом попутного нефтяного газа с трубопроводом отвода на обезвреживание дымовых газов, а добывающие скважины соединены трубопроводом затрубного газа с установкой подготовки нефти и/или через трубопровод попутного нефтяного газа и трубопровод отвода на обезвреживание дымовых газов с блоком окисления сероводорода.

На чертеже представлена схема, иллюстрирующая систему обустройства месторождения тяжёлой нефти и природного битума.

Система состоит из добывающих скважин 1, соединённых через трубопровод продукции скважин 2 с установкой подготовки нефти 3, которая связана с трубопроводом товарной тяжёлой нефти и природного битума 4. Трубопровод продукции скважин 2 оснащён блоком дозирования деэмульгатора 5. Трубопровод попутно добываемой воды 6 соединяет установку подготовки нефти 3 с блоком очистки от сероводорода 7. Блок очистки от сероводорода 7 соединён трубопроводом очищенной попутно добываемой воды 8 с блоком водоподготовки 9, трубопроводом отвода дымовых газов 10 – с парогенератором 11, а трубопроводом отвода на обезвреживание дымовых газов 12 – с блоком окисления сероводорода 13. При этом блок окисления сероводорода 13 оснащён трубопроводом подачи окислителя (воздуха) 14 и соединён трубопроводом отвода очищенных дымовых газов 15 со свечой рассеивания 16, трубопроводом отвода серной кислоты 17 – с трубопроводом попутно добываемой воды 6 на входе в блок очистки от сероводорода 7, а трубопроводом отвода пара 18 – с паропроводом 19 на выходе парогенератора 11. Блок водоподготовки 9 соединён через трубопровод стоков 20 с кустовой насосной станцией 21 и далее через водовод 22 с нагнетательными скважинами 23, при этом водовод 22 оснащён блоком дозирования ингибитора коррозии 24. Блок водоподготовки 9 сообщён через трубопровод уловленной нефти 25 с установкой подготовки нефти 3 и через трубопровод пресной воды 26 с источником пресной воды 27, а также через трубопровод глубокоочищенной воды 28 с парогенератором 11, который, в свою очередь, связан через паропровод 19 с паронагнетательными скважинами 29. Установка подготовки нефти 3 сообщена трубопроводом попутного нефтяного газа 30 с трубопроводом отвода на обезвреживание дымовых газов 12, а трубопровод топливного газа 31 сообщён по одной линии с установкой подготовки нефти 3, по другой линии – с парогенератором 11, по третьей линии 32 – с блоком окисления сероводорода 13. На трубопроводе продукции скважин 2 между добывающими скважинами 1 и установкой подготовки нефти 3 установлена дожимная насосная станция 33. Добывающие скважины 1 также связаны с установкой подготовки нефти 3 и/или трубопроводом попутного нефтяного газа 30 через трубопровод затрубного газа 34, а после добывающих скважин 1 на трубопроводе продукции скважин 2 также установлена групповая замерная установка 35.

Система работает следующим образом.

Продукция I добывающих скважин 1 по трубопроводу продукции скважин 2 поступает на установку подготовки нефти 3, где осуществляется подготовка тяжёлой нефти и природного битума до товарной кондиции. В продукцию I добывающих скважин 1 подаётся деэмульгатор II с помощью блока дозирования деэмульгатора 5, которым оснащён трубопровод продукции скважин 2. Подготовленная на установке подготовки нефти 3 товарная тяжёлая нефть и природный битум III отводится по трубопроводу товарной тяжёлой нефти и природного битума 4 потребителю. Попутно добываемая вода IV, отделившаяся на установке подготовки нефти 3, по трубопроводу попутно добываемой воды 6 поступает в блок очистки от сероводорода 7. В блок очистки от сероводорода 7 по трубопроводу отвода дымовых газов 10 от парогенератора 11 подаются дымовые газы V для отдувки сероводорода, содержащегося в попутно добываемой воде IV.

Из блока очистки от сероводорода 7 отработавшие дымовые газы VI, содержащие извлеченный из воды сероводород, направляются по трубопроводу отвода на обезвреживание дымовых газов 12 в блок окисления сероводорода 13, а очищенная попутно добываемая вода VII по трубопроводу очищенной попутно добываемой воды 8 направляется в блок водоподготовки 9, где осуществляется её предварительная очистка от нефти и механических примесей, а также глубокая очистка от нефти, механических примесей, солей жёсткости. Уловленная нефть VIII с блока водоподготовки 9 по трубопроводу уловленной нефти 25 возвращается на установку подготовки нефти 3.

В блок окисления сероводорода 13 по трубопроводу подачи окислителя 14 подают окислитель IX (например, кислород, или атмосферный воздух, содержащий кислород, а также водный раствор пероксида водорода, озон, хлор) для удаления сероводорода из отработавших дымовых газов VI с химическим преобразованием его в серную кислоту, а также подают топливный газ Х по трубопроводу топливного газа 32.

Преимущественно процесс окисления сероводорода осуществляют в блоке окисления сероводорода 13 в две стадии. На первой стадии отработавшие дымовые газы VI, содержащие извлеченный из воды сероводород, попутный нефтяной газ XI и затрубный газ XII сжигают, добавляя в начальный период запуска или в случае нехватки горючих компонентов топливный газ X. При этом обезвреживаются углеводороды и другие токсичные летучие примеси, а сероводород окисляется преимущественно до диоксида серы:

2H₂S + 3O₂ = 2H₂O + 2SO₂ (1)

На второй стадии диоксид серы окисляется с помощью окислителя (преимущественно в газовой фазе воздухом в присутствии катализатора, обычно окислов переходных металлов, в основном ванадия, или платины с добавками модификаторов, нанесённых на инертные носители, – здесь не рассматриваются и претензии на новизну на них не распространяются, до триоксида серы, далее взаимодействующего с парами воды с образованием серной кислоты, или же окислителем в водной среде сразу до серной кислоты:

2SO₂ + O₂ = 2SO₃ (2)

H₂O + SO₃ = H₂SO₄ (3)

SO₂ + H₂O₂ = H₂SO₄ (4)

Реакции (1) – (3) протекают с выделением тепла, которое может быть утилизировано, например, в генераторе пара (на схеме не показано, входит в блок окисления сероводорода 13) с выработкой пара XIII. После охлаждения отработавших дымовых газов, которые прошли стадии реакций (2) и (3) в генераторе пара и дополнительно в холодильниках (на схеме не показано, входит в блок окисления сероводорода 13) преимущественно воздухом, серная кислота, которая обладает малой летучестью в данных условиях, отделяется от них с помощью разделительного, сепарационного или фильтрационного оборудования, или выделяется абсорбцией разбавленным раствором серной кислоты. Если же осуществляется окисление диоксида серы, содержащегося в дымовых газах, прошедших предварительное окисление по реакции (1) и охлаждение, промывкой окислителем в водной фазе по реакции (4) (возможно также аналогичное окисление озоном и хлором), то образующаяся серная кислота остаётся в водном растворе.

Очищенные от сероводорода отработавшие дымовые газы XIV по трубопроводу отвода очищенных дымовых газов 15 направляются в свечу рассеивания 16 и выбрасываются в атмосферу. Образующаяся в блоке окисления сероводорода серная кислота или её водный раствор XV направляется по трубопроводу отвода кислоты 17 в трубопровод попутно добываемой воды 6 в попутно добываемую воду IV на вход в блок очистки от сероводорода 7, а пар ХIII направляется по трубопроводу отвода пара 18 в паропровод 19 на выходе парогенератора 11.

За счёт добавления серной кислоты в попутно добываемую воду реакция среды попутно добываемой воды переходит из слабощелочной (рН=7÷8) в слабокислую (рН=4÷6,5) область, что приводит к смещению равновесий в указанной ниже цепочке реакций влево с переходом части содержащихся изначально в воде гидросульфидов и сульфидов в форму свободного растворённого сероводорода:

H₂S ↔ H⁺ + HS^– ↔ 2H⁺ + S^2– (5)

После этого сероводород в основном будет содержаться в пластовой воде в виде растворённого сероводорода и гидросульфидов. Свободный сероводород легко десорбируется из воды дымовыми газами уже только за счёт физического процесса, обусловленного его высокой летучестью. Для десорбции же гидросульфидов в виде сероводорода потребуется меньше дымовых газов, содержащих углекислый газ в качестве кислого компонента, разрушающего их. Поэтому в целом дымовых газов потребуется для отдувки сероводорода значительно меньше, что приведёт к уменьшению габаритов и энергоёмкости десорбционного и перекачивающего оборудования блока очистки от сероводорода 7. Одновременно с переводом сероводорода в нелетучую форму серной кислоты решаются экологические проблемы. Серная кислота взаимодействует с содержащимися в воде гидросульфидами, сульфидами и карбонатами с образованием нейтральных и нетоксичных сульфатов, поэтому сероводород полностью обезвреживается и выводится из обращения. Процессы окисления сероводорода с выработкой серной кислоты отработаны в промышленности и характеризуются относительной простотой и стабильностью в работе. Использование их позволит гибко регулировать процесс очистки воды, изменяя расходы дымовых газов, подаваемых на отдувку, и серной кислоты, отводя её избыток, при необходимости, как товарный продукт, что приводит к расширению технологических возможностей.

На первоначальном этапе разработки месторождения тяжёлой нефти и природного битума, а именно при объёмах добычи не более 10 % от проектного максимального объёма добычи нефти вследствие недостаточного объёма попутно добываемой воды IV для обеспечения ею парогенератора 11, а также вследствие высоких капитальных затрат на глубокую очистку попутно добываемой воды IV на блоке водоподготовки 9, целесообразно попутно добываемую воду IV очищать на блоке водоподготовки 9 только от нефти и механических примесей в буферной ёмкости (на схеме не показана, входит в блок водоподготовки 9), после чего очищенную от нефти и механических примесей попутно добываемую воду XVI по трубопроводу стоков 20 направлять на кустовую насосную станцию 21 и далее по водоводу 22 закачивать в нагнетательные скважины 23 системы ППД близлежащих месторождений обычной нефти, а для выработки водяного пара XVII целесообразно использовать пресную воду XVIII из поверхностных источников. Для этого пресная вода XVIII по трубопроводу пресной воды 26 из источника пресной воды 27 направляется на блок водоподготовки 9, где осуществляется её глубокая очистка, после чего глубокоочищенная вода XIX по трубопроводу глубокоочищенной воды 28 поступает в парогенератор 11, а стоки XX направляются по трубопроводу стоков 20 на кустовую насосную станцию 21 и далее утилизируются в системе ППД близлежащих месторождений обычной нефти через нагнетательные скважины 23. После кустовой насосной станции 21 в сточную воду XXI в водоводе 22 подаётся ингибитор коррозии ХXII с помощью блока дозирования ингибитора коррозии 24. Выработанный в парогенераторе 11 водяной пар XVII по паропроводу 19 направляется в паронагнетательные скважины 29 для закачки в продуктивный пласт месторождения тяжёлой нефти и природного битума.

При объёмах добычи тяжёлой нефти и природного битума более 10 % от проектного максимального объёма добычи нефти будут образовываться значительные объёмы попутно добываемой воды IV, поэтому в дальнейшем целесообразно использовать её для выработки водяного пара XVII, закачиваемого в продуктивный пласт. Для этого на блоке водоподготовки 9 осуществляют глубокую очистку очищенной от сероводорода попутно добываемой воды VII от нефти, механических примесей и солей жёсткости. Затем после блока водоподготовки 9 глубокоочищенная вода XIX по трубопроводу глубокоочищенной воды 28 поступает в парогенератор 11. При необходимости для обеспечения парогенератора 11 необходимым объёмом воды на блок водоподготовки 9 по трубопроводу пресной воды 26 из источника пресной воды 27 поступает пресная вода XVIII. Отделившийся на установке подготовки нефти 3 попутный нефтяной газ XI по трубопроводу попутного нефтяного газа 30 направляется в трубопровод отвода на обезвреживание дымовых газов 12 в поток отработавших дымовых газов VI для утилизации на блоке окисления сероводорода 13. Выработка водяного пара XVII в парогенераторе 11 и, при необходимости, нагрев продукции I добывающих скважин 1 на установке подготовки нефти 3 производится за счёт сжигания топливного газа X, подводимого к системе по трубопроводу топливного газа 31. Затрубный газ XII, поступающий из затрубного пространства добывающих скважин 1, направляется по трубопроводу затрубного газа 34 в установку подготовки нефти 3 (поток XXIII) и/или непосредственно в трубопровод попутного нефтяного газа 30 (поток XXIV) и далее в смеси с попутным нефтяным газом XI направляется в трубопровод отвода на обезвреживание дымовых газов 12 в поток отработавших дымовых газов VI для утилизации на блоке окисления сероводорода 13. Для учёта количества добытой продукции I добывающих скважин 1 на трубопроводе продукции скважин 2 установлена групповая замерная установка 35. При больших расстояниях от добывающих скважин 1 до установки подготовки нефти 3 с целью снижения давления на устьях добывающих скважин 1 на трубопроводе продукции скважин 2 также установлена дожимная насосная станция 33.

Использование предлагаемой системы обустройства месторождения тяжёлой нефти и природного битума позволит исключить остановку работы системы и проведение ремонтов теплообменных труб парогенератора из-за коррозионного разрушения, вызванного наличием в воде остаточных сульфидов и гидросульфидов, и, тем самым, увеличить срок эксплуатации парогенератора за счёт их полного удаления в поступающей глубокоочищенной воде, улучшить условия эксплуатации оборудования блока водоподготовки за счёт отсутствия сероводорода, сульфидов и гидросульфидов в воде, а также повысить экологичность процесса подготовки глубокоочищенной воды за счёт полного отсутствия отходов, требующих нейтрализации или утилизации, и расширить технологические возможности за счёт простоты применяемого дополнительного оборудования.