Проектирование и оптимизация энергосберегающих технологий при экспл

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

В.А. Мордвинов, В.В. Поплыгин, М.С. Турбаков

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВЫХ СИСТЕМ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2011

1

УДК 622.276 М79

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Н.В. Шулаков (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

канд. техн. наук О.Ю. Кашников (ПермНИПИнефть)

Мордвинов, В.А.

М79 Проектирование и оптимизация энергосберегающих технологий при эксплуатации нефтегазопромысловых систем: учеб. пособие / В.А. Мордвинов, В.В. Поплыгин, М.С. Турбаков. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. поли-

техн. ун-та, 2011. – 111 с.

ISBN 978-5-398-00702-2

Рассмотрены вопросы энергосбережения, экологической безопасности и охраны недр при проектировании, эксплуатации и оптимизации режимов работы добывающих скважин, систем поддержания пластового давления и промыслового сбора скважинной продукции.

Предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлению 131000 «Нефтегазовое дело».

Учебное пособие подготовлено по результатам исследований в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и на- учно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг.

УДК 622.276

2

1.3.Энергосбережение и экологическая безопасность при проектировании и оптимизации технологических

2.Энергосбережение, экологическая безопасность

иохрана недр при проектировании, эксплуатации

3

ВВЕДЕНИЕ

Добыча нефти с попутным нефтяным газом – энергозатратный процесс. Затраты энергии определяются: а) необходимостью поддержания пластового давления в нефтяной залежи при ее разработке; б) применением скважинных насосов для подъема жидкости (нефти) на поверхность; в) созданием и поддержанием давления в разветвленных системах промыслового сбора скважинной продукции и др.

Энергетические ресурсы в России на 70 % обеспечиваются за счет добычи углеводородного сырья. Применение энергосберегающих технологий при добыче нефти и попутного нефтяного газа создает условия для рационального природопользования, сохранения недр и улучшения экологической обстановки в нефтедобывающих регионах.

При прочих равных условиях снижение забойных давлений в процессе эксплуатации добывающих скважин с целью увеличения их дебитов, т.е. притока жидкости в скважины, увеличивает энергозатраты на этот приток и на подъем жидкости в скважинах. Снижение забойных давлений становится причиной ряда физических явлений, существенно осложняющих процесс нефтедобычи (деформации коллектора и образование свободной газовой фазы в призабойных зонах пластов, усиление притока воды в нефтедобывающие скважины, снижение фазовой проницаемости для нефти, интенсивное образование асфальтеносмолопарафиновых отложений и др.). С проявлением осложнений связано увеличение частоты подземных ремонтов скважин и расходования энергоресурсов при этих ремонтах, вероятности различных нарушений в конструкциях скважин, что повышает степень их опасности в экологическом отношении.

Отделение попутного нефтяного газа от нефти вблизи добывающих скважин связано с созданием в системах сбора скважинной продукции дополнительных объектов в виде сепарационных

4

ифакельных установок, газопроводов, наличие которых ухудшает экологическую обстановку при эксплуатации нефтегазопромысловых систем, увеличивает потери углеводородов и создает условия для негативного воздействия наокружающую среду.

С учетом изложенного необходимо проведение исследований, направленных на решение задач снижения энергозатрат при эксплуатации нефтедобывающих скважин и нефтегазопромысловых систем, уменьшения потерь углеводородов при их добыче и промысловой транспортировке скважинной продукции.

1.ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

ВНЕФТЕДОБЫЧЕ: СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1.Энергосберегающие технологии в экономике России

Энергосбережение – это реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии [64].

Отношения, возникающие в процессе деятельности в области энергосбережения, регулирует Федеральный закон «Об энергосбережении» [64].

Энергоэффективность рассматривается сегодня как приоритетное направление развития РФ. Это направление должно быть системообразующим, вокруг него должны концентрироваться другие направления [71]. Президентом РФ поставлена задача к 2020 г. снизить на 40 % энергоемкость российского валового внутреннего продукта.

Внутреннее энергопотребление России зависит от интенсивности энергосбережения. Роль этого фактора обусловлена огромным, а по оценкам экспертов, самым крупным в мире потенциалом энергосбережения, накопленным за десятилетия развития советской и российской экономики при искусственном занижении цен на энергоресурсы [68].

5

В современной экономической ситуации на процесс энергосбережения негативное влияние оказывают многие факторы. Основными сдерживающими энергосбережение факторами, характерными почти для всех отраслей экономики России, явля-

ются [68]:

–слабое обновление парка энерго- и топливопотребляющего оборудования, износ которого во многих отраслях превышает 50–60 %, что вызвано, главным образом, необеспеченностью предприятий необходимыми средствами;

–низкий удельный вес оборудования, соответствующего мировому уровню, составляющий по многим отраслям экономики

ипромышленности 13–18 %, что закрепляет отставание в сниже-

нии удельных расходов энергоресурсов от зарубежных стран

иснижает конкурентоспособность отечественной продукции;

–отсутствие экономического механизма, заинтересовывающего потребителей топлива и энергии в их рациональном использовании и экономном расходовании в отраслях материальной сферы и в непроизводственной сфере;

–необеспеченность законодательными актами и нормативными документами, направленными на энергосбережение;

–отсутствие региональных систем управления процессами энергосбережения;

–снижение технологической и производственной дисциплины на многих предприятиях, вызывающее перерасход энергоресурсов, большие их потери от бесхозяйственности.

Коэффициент полезного использования энергоресурсов в целом, по оценкам специалистов, очень низкий (не более 10–12 %)

инедостаточно изучен для многих производств. Коэффициент полезного использования неэнергетических ресурсов (сырья и материалов) характеризует уровень безотходности их технического и технологического использования и потерьот бесхозяйственности.

Повышение эффективности производств во многом определяется эффективностью использования сырьевых (сырья и материалов) и энергетических ресурсов. Но сложившиеся в прошлом

ив настоящем времени относительно небольшие доли затрат на

6

топливо и энергию во многих отраслях промышленности не вызывают большой заинтересованности вести действительно активную, а не показную энергосберегающую деятельность. Тем более, что затраты на топливо и энергию включаются в себестоимость продукции и на конкурентность ее влияют незначительно [68].

Потенциал энергосбережения – это разница между реальным и гипотетическим (условным) энергопотреблением, которое было бы в народном хозяйстве при использовании лучших из имеющихся энергосберегающих технологий и организационных мер по экономии энергии [2].

Количественно потенциал энергосбережения оценивается лишь приближенно из-за того, что достаточно условен отбор наилучших (эталонных) технологий. В то же время для практических целей вполне достаточно приближенного определения потенциала, что дает возможность установить объемы энергосбережения, их дифференциацию по отраслям, технологическим цепочкам и географическим районам.

Основными направлениями научно-технического прогресса по энергосбережению являются:

1)повышение эффективности использования сырьевых ресурсов;

2)широкое внедрение приборов учета и регулирования расхода энергоресурсов;

3)внедрение прогрессивных норм расхода электро- и теплоэнергии, потерь углеводородов при их добыче, транспортировке

ииспользовании.

Проблема энергосбережения комплексная, ее решение должно осуществляться параллельно с приоритетными направлениями на- учно-технического прогресса в технике и технологии.

Отбирая энергосберегающие мероприятия путем их ранжирования по эффективности, в первую очередь необходимо включать в планы организационные и режимно-эксплуатацион- ные мероприятия со сроками окупаемости затрат менее 1 года. Далее включаются мероприятия технического характера со сро-

7

ками окупаемости затрат от 1 года до 3–4 лет и, наконец, мероприятия, связанные с внедрением нового оборудования и новых технологий, требующих больших капитальных затрат [2].

Главное направление решения проблемы энергосбережения – это структурная перестройка энергопотребляющих отраслей народного хозяйства, обеспечивающая прекращение роста энергоемкости валового внутреннего продукта. В связи с этим законом «Об энергосбережении» [64] предусмотрена система экономических и финансовых механизмов энергосбережения. Основной вопрос здесь – расширение сфер поиска источников финансирования и аккумуляция средств в целевых фондах для реализации наиболее перспективных энергоэффективных проектов.

Подход к энергосбережению должен носить комплексный характер и не ограничиваться внедрением отдельных локальных мероприятий.

Управление процессом энергосбережения следует направлять на достижение технически и экономически обоснованных величин экономии энергоресурсов. Основные резервы экономии энергоресурсов связаны с внедрением современных инновационных технологий и оборудования в отраслях, систем автоматизированного управления технологическими процессами.

Основными направлениями деятельности организаций, занимающихся энергосберегающими мероприятиями, должны стать [2]:

–энергетические обследования предприятий и организаций (энергоаудит);

–разработка энергосберегающих проектов;

–внедрение энергосберегающих технологий;

–выбор и поставка энергосберегающего оборудования;

–участие в разработке региональных программ энергосбережения;

–обучение и повышение квалификации специалистов по управлению энергосбережением;

–пропаганда идей энергосбережения, участие в создании демонстрационных зон энергетической эффективности;

8

–формирование программ повышения эффективности работы тепловых сетей и котельных;

–разработка энергетических паспортов предприятий;

–разработка норм расходования топливно-энергетических ресурсов, нормативов плат и штрафов за нерациональное использование топлива и энергии, предложений по дотациям и льготам за участие в выполнении программ поэнергосбережению;

–оказание маркетинговых услуг по созданию рынка энергосберегающих технологий и оборудования, обслуживанию, рек- ламно-информационному и нормативно-методическому обеспечению энергопотребителей;

–сбор и анализ информации и организация работ по непосредственному введению в действие экономического механизма энергосбережения;

–применение автоматизированных систем управления технологическими процессами, автоматизированных систем контроля и учета потребляемых энергоресурсов.

Системная работа по внедрению инновационных проектов, направленных на экономию энергии, в перспективе должна привести к тому, что основным стратегическим направлением развития экономики станет энергосберегающий сценарий развития.

1.2.Энергосбережение и экологическая безопасность при разработке и эксплуатации нефтяных месторождений

Энергосбережение тесно связано с экологической безопасностью при разработке нефтяных месторождений. Добываемое углеводородное сырье является источником энергии. Потери углеводородов при технологических операциях, ремонтах, авариях ведут к снижению энергоэффективности производства и загрязнению окружающей среды.

Низкая выработка потенциальных извлекаемых запасов при нерациональной разработке нефтяных залежей ведет к снижению показателей эффективности использования энергетических ресурсов для добычи нефти.

9

Добыча нефти и попутного нефтяного газа сопровождается постоянным техногенным воздействием на недра. Недра являются частью земной коры, расположенной ниже почвенного слоя, а при его отсутствии – ниже земной поверхности и дна водоемов и водотоков, простирающейся до глубин, доступных для геологического изучения и освоения [6]. Отношения, возникающие в связи с геологическим изучением, использованием и охраной недр территории Российской Федерации, регулирует Закон РФ «О недрах» [21]. Закон содержит правовые и экономические основы комплексного рационального использования и охраны недр, обеспечивает защиту интересов государства и граждан Российской Федерации, а также прав пользователей недр. На основе закона разработаны правила охраны недр

ПБ 07-601–03 [50].

Правовой режим недр регламентируется горным законодательством в пределах, необходимых для охраны недр и безопасности горных работ. Проектирование, строительство, эксплуатация, расширение, реконструкция, капитальный ремонт, техническое перевооружение, консервация и ликвидация опасных производственных объектов добычи нефти и газа регламентируются законодательством в области промышленной безопасности.

Залежь углеводородов представляет собой естественное скопление нефти, газа, газоконденсата в ловушке, образованной породой-коллектором под покрышкой из непроницаемых пород [9]. Совокупность залежей нефти или газа, связанных одним участком земной поверхности, называют месторождением.

Нефтяное месторождение (залежь) содержит нефть с различным содержанием растворенного газа. Нефтяное месторождение сгазовой шапкой называют нефтегазовым месторождением. Месторождение с газовой шапкой больших размеров и с нефтяной оторочкой называют газонефтяным [42].

С позиции системного подхода нефтяная залежь представляет собой систему, состоящую из двух составляющих: природной геологической и искусственной, являющейся результатом деятельности человека. К искусственной составляющей отно-

10