Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных и

Секция 3. Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

РАЗРАБОТКА КРУПНОГАБАРИТНЫХ РЕЗЕРВУАРОВ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ С ДИНАМИЧЕСКИМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

А.Ю. Егоров

Научный руководитель – доцент Л.Е. Землеруб Самарский государственный технический университет

В работе представлен проект резервуара объемом 100 000 м3 со стенкой каннелюрного типа и стягивающим вантовым покрытием со стальной обрешеткой и настилом из металлочерепицы. Для оптимизации конструкции резервуара проведен анализ напряженно-деформированного состояния.

Ключевые слова: резервуар, каннелюрная панель, напряженно-деформиро- ванное состояние резервуара, оптимизация геометрии.

Непрерывный рост добычи и переработки нефти во всем мире и периодически повторяющиеся кризисные ситуации создают необходимость сооружения резервуаров большого объема. Кроме того, необходимость увеличения единичной вместимости резервуаров диктуется технико-экономическими показателями, а именно снижением капитальных и эксплуатационных затрат. Так, на конечном пункте КТК в Новороссийске сооружают РП, состоящий из 10 РВСПК объемом 100 000 м3, 4 из которых уже введены в эксплуатацию.

На кафедре «Трубопроводный транспорт» Самарского государственного технического университета на протяжении нескольких лет работает научная секция «Интеллектуальный резервуар повышенной надежности», которой руководит

днища по всей площади составляет 9 мм.

Фундамент резервуара выполнен в виде сегментно-сферической конструкции, которая специально разрабатывалась на кафедре для РВС-К.

Каннелюрная панель представляет собой вертикальный участок стенки, состоящий из стальных листов, обращенных выпуклостью внутрь резервуара. Места стыка панелей являются ребрами стенки РВС-К. С внутренней стороны стыка

111

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

каннелюрных панелей приварена накладка шириной 600 мм, образующая с ребрами стенки трехгранную балку, увеличивающую жесткость конструкции.

При заполнении резервуара продуктом стеновые панели сжимаются за счет распора, возникающего в поперечном направлении от гидростатического давления. Опрокидывающие усилия в ребрах стенки, возникающие от гидростатического давления жидкости внутри резервуара, снижаются за счет натяжения вантового покрытия. В соответствии с расчетами выбрано вантовое покрытие комбинированного типа с вертикальными жесткими распорками и зигзагообразной канатной решеткой с внутренним и внешним опорными кольцами.

В качестве распорок применимы стальные стержни. Они предназначены для передачи нагрузок между верхним и нижним поясами вант и не испытывают больших напряжений, поэтому стержни могут быть полыми, что значительно уменьшает вес покрытия. Внутреннее кольцо изготавливается из вант большего диаметра с учетом растягивающих усилий. Внешнее опорное кольцо выполняют в виде замкнутого контура, который работает на сжатие и воспринимает распор от тросов.

Система разгрузки представляет собой жестко сопряженную конструкцию блока (ролика), установленного в верхней точке ребра каннелюрной панели стенки, через который пропущен стальной канат, являющийся продолжением несущего ванта покрытия. Трос (вант) проходит через систему блоков внутреннего центрального кольца. Система блоков внутреннего центрального кольца представляет собой попарное расположение блоков на верхнем и нижнем опорном поясе центрального кольца, через которое пропущены несущие вантовые канаты.

Следовательно, сопряженная конструкция вантового покрытия и стенки резервуара, при их совместном динамическом взаимодействии, представляет собой саморазгружающуюся систему. В результате увеличивается прочность и устойчивость резервуара.

Для оптимизации геометрии конструкции в программном комплексе ANSYS был выполнен ряд расчетов напряженно-деформированного состояния резервуара

риод и большую часть ремонтных работ производить без вывода резервуара из эксплуатации. Днище у такого резервуара плоское – без конуса.

112

Секция 3. Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

Анализ характеристик и технических показателей предложенного резервуара показал перспективность его применения ввиду очевидных преимуществ перед используемыми в настоящее время:

–гарантированное увеличение прочности и устойчивости резервуара;

–значения прочности и устойчивости всей конструкции, достаточные для

эксплуатации в сейсмоопасных районах;

–повышение экологической безопасности в случае аварийной ситуации;

–уменьшение площади застройки;

–увеличение продолжительности срока службы и межремонтных периодов. Дальнейшая работа научной студенческой секции видится в следующем: 1. Оптимизация размеров конструктивных элементов резервуара.

2. Проведение расчета срока службы резервуара.

3. Разработка системы управления напряженно-деформированным состояни-

ем конструкции.

4. Разработка ППР и ТЭО.

Список литературы

1.Бунчук В.А., Стулов Т.Т. Железобетонные резервуары для хранения нефти

инефтепродуктов. Проектирование и сооружение. – М.: Недра, 1968. – 286 с.

2.Горелов А.С. Неоднородные грунтовые основания и их влияние на работу вертикальных стальных резервуаров. – СПб.: Недра, 2009. – 220 с.

3.Гришин М.М. Гидротехнические сооружения: учебник для вузов: в 2 ч. –

М.: Высш. шк., 1979. – 615 с.

4.Кирсанов Н.М. Висячие и вантовые конструкции: учеб. пособие для вузов. – М.: Стройиздат, 1981. – 158 с.

5.Павилайнен В.Я. Расчет оболочек в многоволновых системах. – Л.: Строй-

издат, 1973. – 134 с.

113

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ПОЛЕЗНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА НА СРЕДНИХ УДАЛЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ РОССИИ

Т.М. Касымов, П.С. Дозморов

Научный руководитель – доцент И.В. Шарф Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Эффективность методов повышения полезного использования попутного нефтяного газа (ПНГ) малых и средних труднодоступных месторождений является одним из приоритетных направлений развития нефтегазовой промышленности России.

Встатье рассматриваются различные мировые методы рационального использования ПНГ с учетом их применимости к российской практике в данной отрасли.

Ключевые слова: попутный нефтяной газ, нефть, малотоннажные установки, энергоблоки, мини-GTL.

Всегодняшних условиях, учитывая общемировую ситуацию, обусловленную

стагнацией экономики, коэффициент полезного использования попутного нефтяного газа (ПНГ) становится важнейшим направлением деятельности нефтедобывающих предприятий, от которого в большой степени зависит прибыль компаний, снижение отрицательного влияния на окружающую среду и социально-экономи- ческое развитие страны. Постановлением Правительства РФ № 1148 от 08.11.2012 были установлены повышающие коэффициенты на 2013–2015 гг. на уже утвержденные в 2009 г. штрафы, что стало дополнительным стимулирующим инструментом для нефтегазовых компаний к поиску новых и внедрению наиболее эффективных методов полезного использования ПНГ.

В настоящее время нефтегазовые компании применяют различные способы по рациональному использованию ПНГ, которые удовлетворяют территориальным, производственно-геологическим, инфраструктурным, географическим и климатическим условиям их деятельности, а также решают проблему превращения попутного нефтяного газа из побочного продукта нефтедобычи в ценное сырье нефтегазохимии. Например, Казахстан уже на протяжении нескольких лет добивается высокого показателя рационального использования ПНГ (рис. 1). Россия по-прежнему занимает лидирующую позицию среди стран, сжигающих наибольшие объемы ПНГ. В России все еще сжигается от 15 до 30 млрд м3 ПНГ. В тройку крупнейших регионов, сжигающих попутный газ, входят Восточная Сибирь (44 %), ХМАО (25 %) и ЯНАО (11 %) (рис. 2) [1]. Однако наблюдается положительный тренд в области полезного использования ПНГ за 2013–2014 гг., что в определенной мере говорит о действенности существующих инструментов воздействия (см. рис. 1).

Одной из причин сжигания большого количества ПНГ является то, что более половины углеводородного сырья в российском ТЭК добывается на мелких и средних нефтегазовых месторождениях, которые разрабатываются малыми нефтедобывающими компаниями. Данные компании в силу недостаточности

114

Секция 3. Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

финансово-инвестиционных ресурсов, а также особенностей месторождений не могут использовать технологии, которые возможны на месторождениях больших дебитов [2].

Рис. 1. Развитие полезного использования ПНГ за 2006–2014 гг.

Рис. 2. Коэффициент полезного использования ПНГ по регионам России

Основными факторами низких значений коэффициента полезного использования ПНГ на месторождениях в Восточной Сибири является неразвитая инфраструктура добычи и переработки газа, значительная удаленность от центров потребления и экономическая неэффективность основных методов утилизации ПНГ на удаленных, в частности мелких и средних, месторождениях.

Полезное использование попутного нефтяного газа – это перспективное направление развития нефтедобывающей промышленности России как высокотехнологичной и эффективной отрасли. Для повышения коэффициента полезного использования ПНГ непосредственно на уровне нефтедобывающего предприятия необходимо разработать ряд комплексных теоретико-методологических подходов к решению проблемы утилизации на мелких и средних нефтяных месторождениях, поскольку большинство крупных месторождений решили проблему рационального использования попутного нефтяного газа.

115

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

Все это требует систематизации совокупности факторов, инновационных методов и алгоритмов в области применения технологий повышения полезного использования ПНГ на малых и средних месторождениях с целью анализа и оценки их эффективности [3].

Строительство на труднодоступных малых месторождениях установок по сжижению нефтяного газа, установок для получения технической пропанбутановой смеси, установок по закачке газа в пласт, установок с применением криогенных технологий нецелесообразно и в проектах обустройства обычно не рассматривается ввиду очевидной убыточности из-за удаленности месторождений от транспортных артерий и центров промышленной инфраструктуры.

Установка энергоблоков

Установка энергоблоков – один из наиболее распространенных способов утилизации ПНГ в России. На мелких и средних месторождениях при приемлемом составе ПНГ эффективность этого способа высока: электростанция с утилизацией тепла на 80 % окупается за 3–4 года.

Множество современных сервисных компаний работают в этой сфере. Модификация и принцип работы таких установок различны. Большинство конструкций могут работать на широких фракциях легких углеводородов или ПНГ. Практически во всех установках предусмотрена утилизация тепла выхлопных газов в систему теплоснабжения промысла.

Энергоблоки таких установок выдерживают температуру в диапазоне от +50 до –50 °С и защищены от ветровой нагрузки, что помогает решить проблему полезного использования ПНГ на месторождениях, расположенных в условиях Крайнего Севера. В качестве топлива для двигателей установок может быть использован попутный нефтяной газ и газ мусорных свалок. Для нестандартных объектов, где состав ПНГ может существенно изменяться в режиме реального времени в зависимости от таких факторов, как температура, влажность, химический состав основного сырья, разработаны специальные двигатели, которые могут работать на газах с низким метановым числом.

Переработка ПНГ на синтетическое топливо (GTL)

Одна из причин сжигания больших объемов ПНГ в России – отсутствие эффективного оборудования для реализации малотоннажной технологии GTL. Технология GTL мало распространена, так как из-за высоких капитальных и эксплуатационных затрат подобные производства, реализующие технологию Фишера–Тропша, целесообразно располагать на базе крупных нефтехимических комплексов при значительных объемах перерабатываемого сырья (более 1 млрд м3 в год) [3]. Однако в настоящее время отечественные производители стремятся к созданию спектра различных по производительности малотоннажных GTL-установок.

В данное время компания «Газохим Техно» является единственной в России, чьи технологические решения позволили решить проблему эффективности пере-

116

Секция 3. Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

работки газа по технологии мини-GTL, привлечь российские инвестиции и начать строительство пилотной установки мини-GTL по переработке до 12 млн м3 ПНГ в год на месторождении в Республике Коми [4].

За рубежом уже созданы и апробированы технологии, позволяющие минимизировать GLT-установки. Уже на протяжении нескольких лет на мировом рынке существует компания Velocys, ориентированная на производство малотоннажных GLTустановок, мощность варьируется от 240 до 2385 м3 в сут. Такие установки позволяют переработать газ в жидкость, которую можно, в отличие от газа, хранить, накапливать и вывозить потребителям по «зимникам». Поэтому модульные установки, производимые компанией, полностью удовлетворяют условиям труднодоступности малых и средних месторождений [5].

Возможность внедрения отечественных малотоннажных установок либо использование зарубежных в большинстве случаев удовлетворяет нынешним условиям эксплуатации средних месторождений с учетом их территориальных, произ- водственно-геологических и климатических особенностей, а слабая зависимость себестоимости продукции от масштабов производства делает возможным их рентабельную эксплуатацию. Резюмируя вышеизложенное, отметим, что применение малотоннажных установок является основным методом решения проблем использования ПНГ на средних месторождениях в труднодоступных условиях.

Список литературы

1.Haugland T. Associated Petroleum Gas Flaring Study for Russia, Kazakhstan, Turkmenistan, and Azerbaijan // European Bank for Reconstruction and Development, 2013. – С. 80.

2.Любовь по принуждению? Итоги VI-й международной конференции «По-

путный нефтяной газ 2015» [Электронный ресурс]. – URL: http://neftegaz.ru/analisis/view/8324 (дата обращения: 29.10.2015).

3.Ибрагимова А.В. Методическое обеспечение управления эффективностью утилизации попутного нефтяного газа на нефтедобывающих предприятиях: дис. … канд. экон. наук. – Екатеринбург, 2015. – 197 с.

4.Компания «Газохим Техно» [Электронный ресурс]. – URL: http://gazohim. ru/index.php/ru (дата обращения: 29.10.2015).

5.Пручни М. Малотоннажные GTL-установки: монетизация газа [Электрон-

ный ресурс]. – URL: http: //www.velocys.com (дата обращения: 29.10.2015).

117

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

ASP-ЗАВОДНЕНИЕ – АЛЬТЕРНАТИВА ТРАДИЦИОННЫМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМ МЕТОДАМ ПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТОВ

М.И. Королев

Научный руководитель – д-р техн. наук, профессор М.К. Рогачев Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург

Проблема увеличения степени извлечения нефти из недр или увеличения конечной нефтеотдачи пластов в последние годы стала одной из самых важных. Наиболее актуальными являются вопросы, касающиеся увеличения нефтеотдачи пластов в разных геолого-физических условиях и для различных стадий разработки нефтяных месторождений. В данной работе проведен обзор физико-химических методов заводнения и рассмотрены условия их применения.

Ключевые слова: ASP-заводнение, химическое заводнение, поверхностноактивное вещество, коэффициент вытеснения, коэффициент охвата.

В последние два-три десятилетия в России и за рубежом широко применяют при разработке нефтяных месторождений поддержание пластового давления закачкой воды в продуктивные горизонты. Однако заводнение даже в самых благоприятных условиях не позволяет извлечь более 60 % нефти. В большинстве же случаев эффективность этого метода значительно ниже.

Остаточная нефть в заводненных пластах удерживается в неподвижном состоянии поверхностно-молекулярными, капиллярными, а также вязкостными силами. Заставить двигаться остаточную нефть в заводненных пластах можно только полностью устранив действие капиллярных сил или снизив их настолько, чтобы они были меньше гидростатических сил, создаваемых перепадом давления, и выровняв подвижности в различных слоях пласта [1].

Также отрицательные последствия закачки воды в качестве вытесняющего агента (наличие набухающих глинистых пропластков или разностей в коллекторах, низкая приемистость нагнетательных скважин и др.) следует учитывать при выборе и обосновании рационального способа повышения нефтеотдачи.

Помимо перечисленных отрицательных последствий закачки воды, осложненные физико-геологические условия (многопластовость, низкопроницаемые коллекторы, их высокая неоднородность, высокая вязкость нефти и др.) являются причиной неоправданно низких коэффициентов нефтеотдачи (КНО). Это особенно характерно для нефтяных месторождений Карпатской нефтегазоносной провинции, отдельных месторождений Краснодарского края, Ставрополья, Урало-Поволжья, Западной Сибири и других нефтедобывающих районов. В этих условиях традиционным холодным заводнением не удается достичь высоких КНО.

На основании проведенного анализ причин невозможности довыработки остаточных запасов методом холодного заводнения для неоднородных коллекторов возникает актуальность поиска новых наиболее эффективных методов заводне-

118

Секция 3. Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

ния. Широким комплексом лабораторных исследований установлено, что одними из наиболее перспективных методов для увеличения коэффициента нефтеотдачи представляются физико-химические методы.

Физико-химические методы обеспечивают увеличение коэффициентов вытеснения и охвата одновременно или одного из них. Среди них выделяют две подгруппы: методы, которые улучшают заводнение, основаны на снижении межфазного поверхностного натяжения и изменении соотношения подвижностей фаз и обеспечивают увеличение коэффициентов вытеснения и охвата; методы извлечения остаточной нефти из заводненных пластов, основанные на полной или частичной смесимости рабочих агентов с нефтью и водой [2].

ВСССР в начале 1960-х годов стали активно изучать методы улучшения нефтевытесняющей способности воды, основывающиеся главным образом на увеличении коэффициента вытеснения за счет добавки различных активных агентов.

Вкачестве таких агентов стали исследовать и применять углеводородный газ, по- верхностно-активные вещества (ПАВ), щелочи, кислоты и др.

Объективной необходимостью для увеличения охвата менее проницаемой части продуктивного пласта воздействием при прогрессирующем обводнении является ограничение фильтрации нефтевытесняющего агента по промытым зонам коллектора и поступления его в скважины посредством применения полимерных композиций в качестве вытесняющего агента.

Однако достижение двух вышеописанных целей (увеличение коэффициента вытеснения и охвата) возможно только при помощи использования комбинированных методов вытеснения, таких как ПАВ-полимерное или ПАВ-полимерно- щелочное заводнение.

Сущность метода заводнения с применением ПАВ заключается в повышении нефтевытесняющих свойств воды и активации капиллярных и диффузионных процессов вытеснения за счет снижения межфазного натяжения нефти на контакте с закачиваемой водой и уменьшения краевых углов смачивания. Применение ПАВ способствует отмыву пленочной нефти, гидрофилизации породы, снижению набухаемости глинистых минералов, ускорению капиллярной пропитки, увеличению фазовой проницаемости для нефти [3, 4].

Проблемы, ограничивающие применение ПАВ: адсорбция ПАВ на поверхности породы; значительное разбавление оторочки; образование стойких эмульсий; проблемы обработки и утилизации; высокая стоимость реагентов.

Всвою очередь, закачка полимерных композиций в нефтяные пласты рассматривается как способ уменьшения соотношения вязкостей вытесняющего агента (воды) и нефти, а также эффективный метод выравнивания неоднородности фильтрационно-емкостных свойств пористой среды.

Ограничивающие факторы для полимерного заводнения следующие: высокая стоимость химических реагентов; непроизводственные потери реагентов в породе из-за адсорбции, образования ловушек, реакций с солями и т.д.; потеря приемистости; гравитационное расслоение; недостаточный контроль

119

Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых

за продвижением фронта вытеснения; значительная скорость сдвига (в призабойной зоне пласта), механическая, термоокислительная и другие виды деструкции [5, 6].

Щелочное заводнение в основном осуществляется на месторождениях с кислой нефтью, содержащей нафтеновые кислоты, при этом образуются ПАВ, увеличивающие подвижность нефти. Кроме того, щелочь, адсорбируясь на поверхности породы, изменяет ее смачиваемость, что способствует солюбилизации нефти, увеличению капиллярного числа [7]. При применении полимер-щелочного варианта технологии необходимо учитывать возможность химического взаимодействия щелочи с полимером.

Наиболее применяемым в последние годы комбинированным методом явля-

ется щелочно-ПАВ-полимерное воздействие (alkaline/surfactant/polymer – ASP).

Состав для ASP-заводнения включает три главных компонента: поверхностноактивное вещество, щелочной агент и полимер.

Поверхностно-активное вещество при оптимальных параметрах образует солюбилизированную систему (микроэмульсию). За счет этого величина межфазного натяжения достигает сверхнизких значений, что способствует снижению остаточной нефтенасыщенности при вытеснении.

Щелочной агент помогает защитить раствор ASP от двухвалентных ионов, снижает адсорбцию ПАВ на породе и образует при контакте с «активной» нефтью дополнительные поверхностно-активные компоненты, которые приводят к снижению межфазного натяжения. Он также изменяет смачиваемость породы и регулирует соленость. В качестве щелочного агента используются гидроксид и карбонат натрия, силикат натрия, фосфат натрия, гидроксид аммония и т.д.

Полимер повышает эффективность вытеснения за счет увеличения вязкости раствора ASP. Используются два типа полимеров: полиакриламид, как правило, частично гидролизованный (HPAM), и полисахарид – ксантановая смола [8, 9].

Однако, несмотря на многие отрицательные явления, физико-химические методы повышения нефтеотдачи необходимо продолжать изучать, находить наиболее эффективные композиции веществ, новые, более эффективные способы их применения для увеличения нефтеотдачи. В настоящее время одним из самых актуальных направлений исследований является ASP-заводнение.

Список литературы

1.Сургучев М.Л. Вторичные и третичные методы увеличения нефтеотдачи пластов. – М.: Недра, 1985.

2.Бойко В.С. Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений: учебник для вузов. – М.: Недра, 1990.

3.Разработка нефтяных месторождений с применением поверхностно– активных веществ / Г.А. Бабалян [и др.]. – М.: Недра, 1983.

120