Природные и попутные газы. Использование нефтяного попутного газа

Нефтяным газом называют газ, который растворён в нефти при пластовых условиях. Такой газ получают в процессе разработки нефтяных залежей вследствие уменьшения пластового давления. Его уменьшают до отметки ниже давления насыщения нефти. Объем нефтяного газа (м3/т) в нефти, или как его еще называют газовый фактор, может колебаться от 3-5 в верхних горизонтах до 200-250 в глубокозалегающих пластах, если залежи хорошо сохранились.

Попутный нефтяной газ

Месторождения нефтяного газа - это месторождения нефти. Попутный нефтяной газ (ПНГ) является природным углеводородным газом, а точнее смесью газов и парообразных углеводородных и не углеводородных составляющих, которые растворены в нефти или находятся в «шапках» нефтяных и газоконденсатных месторождений.
Фактически ПНГ - это побочный продукт добычи нефти. В самом начале добычи нефти попутный нефтяной газ из-за несовершенной инфраструктуры для его сбора, подготовки, перевозки и переработки, а также из-за отсутствия потребителей, попросту сжигали на факелах.
Одна тонна нефти может содержать от 1-2 м3 до нескольких тысяч м3 нефтяного газ, все зависит от региона добычи.

Использование нефтяных газов

Попутный нефтяной газ - это важное сырье для энергетической и химической промышленности. Такой газ отличается повышенной теплотворной способностью, которая может составлять от 9 тысяч до 15 тысяч Ккал/ м3. Однако его применение в энергогенерации затруднено нестабильным составом и присутствием множества примесей. Поэтому необходимы дополнительные затраты на очистку («осушку») газа.
В химической отрасли находящийся в попутном газе метан и этан применяют для изготовления пластических масс и каучука, тогда как более тяжелые компоненты используются в качестве сырья для создания ароматических углеводородов, топливных присадок с высоким октановым числом и сжиженных углеводородных газов, а именно сжиженного пропан-бутана технического (СПБТ).
Согласно информации Министерства природных ресурсов и экологии РФ (МПР), из 55 млрд м3 попутного газа, который каждый год добывается в России, только 26% (14 млрд м3) подвергается переработке. Еще 47% (26 млрд м3) поступает на нужды промыслов или списывается как технологические потери, а еще 27% (15 млрд м3) сжигают в факелах. Подсчеты специалистов говорят о том, что сжигание попутного нефтяного газ является причиной потери почти 139,2 млрд рублей, которые можно было бы получить в результате продажи жидких углеводородов, пропана, бутана и сухого газа.

Проблема сжигания нефтяного газа

Этот процесс является причиной масштабных выбросов твердых загрязняющих соединений, а также общего ухудшения экологической обстановки в нефтедобывающих регионах. В процессе «технологических потерь» и сжигания ПНГ в атмосферу попадает диоксид углерода и активная сажа.
Вследствие сгорания газа в факелах в России каждый год отмечается примерно 100 млн тонн выбросов СО2 (если сжигать весь объем газа). В тоже время российские факелы печально знамениты своей неэффективностью, то есть газ в них сгорает не весь. Получается, что в атмосферу попадает метан, который является намного более опасным парниковым газом, чем углекислый газ.
Количество выбросов сажи в процессе сгорания нефтяного газа оценивают примерно в 0,5 млн тонн ежегодно. Сгорание нефтяного газа сопряжено с тепловым загрязнением окружающей среды. Около факела радиус термического разрушения почвы составляет 10-25 метров, а растительного мира - от 50 до 150 метров.
Высокая концентрация в атмосфере продуктов сгорания такого газ, а именно окись азота, сернистый ангидрид, окись углерода, становится причиной роста случаев заболеваемости местного населения раком легких, бронхов, а также поражениями печени и желудочно-кишечного тракта, нервной системы, зрения.
Самым правильным и эффективным методом утилизации попутного нефтяного газа можно назвать его переработку на газоперерабатывающих предприятиях с образованием сухого отбензиненного газа (СОГ), широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), а также сжиженных газов (СУГ) и стабильного газового бензина (СГБ).
Правильная утилизация нефтяного газа даст возможность каждый год изготавливать около 5-6 млн тонн жидких углеводородов, 3-4 млрд м3 этана, 15-20 млрд м3 сухого газа или 60-70 тысяч ГВт/ч электроэнергии.
Интересно, что 1 января 2012 г вступило в силу постановление Правительства РФ «О мерах по стимулированию снижения загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках». В этом документе сказано, что добывающие предприятия должны подвергать утилизации 95% ПНГ.

Состав нефтяного газа

Состав нефтяного газа может быть различным. От чего он зависит? Специалисты выделяют следующие факторы, влияющие на состав нефтяного газ:

Состав нефти, в которой растворён газ
условия залегания и формирования залежей, которые отвечают за устойчивость природных нефтегазовых систем
возможность естественной дегазации.

Большинство попутных газов, в зависимости от региона добычи, могут содержаться даже неуглеводородные составляющие, к примеру, сероводород и меркаптаны, углекислый газ, азот, гелий и аргон. Если в составе нефтяных газов преобладают углеводороды (95-100%) их называют углеводородными. Также бывают газы с примесью углекислого газа (CO2 от 4 до 20%), или азота (N2 от 3 до 15%). Углеводородно-азотные газы имеют в своем составе до 50% азота. По соотношению метана и его гомологов выделяют:

• сухие (метана более 85%, С2Н6 + высшие 10-15%)
• жирные (CH4 60-85%, С2Н6 + высшие 20-35%).

Исходя из геологических характеристик, выделяют попутные газы газовых шапок, а также газы, которые растворены непосредственно в нефти. В процессе вскрытия нефтяных пластов чаще всего начинает фонтанировать газ нефтяных шапок. Далее главный объем получаемого ПНГ составляют газы, которые растворены в нефти.
Газ из газовых шапок, его еще называют свободным газом, имеет более «легкий» состав. Он содержит меньшее количество тяжелых углеводородных газов, чем выгодно отличается от растворенного в нефти газа. Получается, что первые этапы разработки месторождений зачастую имеют большие ежегодные объемы добычи ПНГ с преобладанием метана в своем составе.
Однако, со временем дебет попутного нефтяного газа снижается, и увеличивается объем тяжелых составляющих.
Чтобы выяснить, сколько газа содержится в определенной нефти и какой его состав, специалисты осуществляют дегазацию пробы нефти, отобранной на устье скважины или в пластовых условиях при помощи глубинного проботборника. Вследствие неполной дегазации нефтей в призабойной зоне и подъёмных трубах нефтяной газ, взятый из устья скважины, имеет в своем составе более высокое количество метана и меньший объем его гомологов, в сравнении с газом из глубинных проб нефтей.

Сжиженный нефтяной газ

Полная характеристика нефтяных газов в сжиженном состоянии дает возможность использовать их в качестве высококачественного полноценного топлива для автомобильных моторов. Главными составляющими сжиженного нефтяного газ являются пропан и бутан, которые являются побочными продуктами добычи или переработки нефти на газо-бензинных предприятиях.
Газ прекрасно соединяется с воздухом с формированием однородной горючей смеси, что гарантирует высокую теплоту сгорания, а также позволяет избежать детонации в процессе сгорания. В газе имеется минимальное количество компонентов, которые способствуют нагарообразованию и загрязнению системы питания, а также вызывают коррозию.
Состав сжиженного нефтяного газа дают возможность создавать моторные свойства газового топлива.
В процессе перемешивания пропана можно обеспечить подходящее давление насыщенных паров в газовой смеси, что имеет большое значение для использования газобаллонных автомобилей в разных климатических условиях. Именно по этой причине присутствие пропана очень желательно.
Цвет и запах у сжиженного нефтяного газа отсутствует. Из-за этого для гарантии безопасной эксплуатации на автомобилях ему придают специальный аромат - одорируют.

Оставшийся попутный газ, который нефтедобывающие компании не сжигают в факелах и не закачивают в пласт, попадает на переработку. Прежде чем перевозить его на перерабатывающий комбинат, его нужно очистить. Освобожденный газ от механических примесей и воды намного легче перевозить. Для того, чтобы предотвратить выпадение сжиженных фракций в полость газопроводов и облегчить смесь осуществляют отфильтровывание тяжёлых углеводородов.
Посредством выведения сернистых элементов можно предотвратить коррозионное действие попутного нефтяного газа на стенку трубопровода, а извлечением азота и углекислоты можно снизить объем смеси, который не используется в переработке. Очищают газ различными методами. По окончанию охлаждения и компримирования (сжатия под давлением) газа можно приступать к его сепарации или обработки газодинамическими способами. Эти методы довольно бюджетны, однако они не дают возможности выделить углекислоту и сернистые компоненты из нефтяного газа.
Если применяются сорбционные методы, то кроме удаления сероводорода осуществляется и осушка от воды и влажных углеводородных компонентов. Единственный недостаток этого метода - плохая адаптация технологии к полевым условиям, что является причиной потери примерно 30% объёма газа. Кроме этого, чтобы удалить жидкость используется способ гликолевой сушки, но исключительно как второстепенный процесс, потому что помимо воды, он больше ничего из смеси не выделяет.
Все перечисленные методы сегодня можно назвать устаревшими. Наиболее современным методом является мембранная очистка. В основе этого метода - разница в скорости проникновения разных компонентов нефтяного газа через волокна мембран.
Когда газ поступает на перерабатывающее предприятие, его подвергают разделению при помощи низкотемпературной абсорбции и конденсации на базовые фракции. Часть таких фракций сразу являются конечными продуктами. После разделения получают отбензиненный газ, в составе которого метан и примесь этана, а также широкая фракция лёгких углеводородов (ШФЛУ). Такой газ без проблем транспортируется по трубопроводным системам и применяется в качестве топлива, а также служит сырьём для изготовления ацетилена и водорода. Также при помощи газопереработки изготавливают автомобильный пропан-бутан жидкого типа (т. е. газомоторное топливо), а также ароматические углеводороды, узкие фракции и стабильный газовый бензин.
Попутный нефтяной газ, невзирая на крайне невысокую рентабельность его переработки, активно применяется в топливно-энергетической отрасли и нефтехимической промышленности.

О вопросе использования попутного нефтяного газа (ПНГ) сейчас немало говорят и пишут. Именно, сам вопрос возник не сегодня, он имеет уже достаточно долгую историю. Специфика добычи попутного газа заключается в том, что он (как и следует из названия) является побочным продуктом нефтедобычи. Потери попутного нефтяного газа (ПНГ) связаны с неподготовленностью инфраструктуры для его сбора, подготовки, транспортировки и переработки, отсутствием потребителя. В этом случае попутный нефтяной газ просто сжигается на факелах.

По геологическим характеристикам различают попутные нефтяные газы (ПНГ) газовых шапок и газы, растворённые в нефти. То есть попутный нефтяной газ представляет собой смесь газов и парообразных углеводородных и не углеводородных компонентов, выделяющихся из нефтяных скважин и из пластовой нефти при её сепарации.

В зависимости от района добычи с 1 т нефти получают от 25 до 800 м³ попутного нефтяного газа.

Текущая ситуация

В Российской Федерации ситуация обстоит следующим образом. Только в одной Тюменской области за годы эксплуатации нефтяных месторождений было сожжено порядка 225 млрд. м³ попутных нефтяных газов (ПНГ), при этом более 20 млн. т загрязняющих веществ поступило в окружающую среду.

По данным на 1999 г., всего в Российской Федерации извлечено из недр 34,2 млрд. м³ попутного газа, из них использовано 28,2 млрд. м³. Таким образом, уровень использования попутного нефтяного газа (ПНГ) составил 82,5%, сожжено на факелах около 6 млрд. м³ (17,5%). Основным районом добычи попутного нефтяного газа (ПНГ) является Тюменская область. В 1999 г. здесь было извлечено 27,3 млрд. м³, использовано 23,1 млрд. м³ (84,6%), сожжено соответственно 4,2 млрд. м³ (15,3%).

На газоперерабатывающих заводах (ГПЗ) в 1999 г. переработано 12,3 млрд. м³ (38%), из них непосредственно в Тюменской области - 10,3 млрд. м³. На промысловые нужды с учётом технологических потерь израсходовано 4,8 млрд. м³, ещё 11,1 млрд. м³ (32,5%) использовано без переработки для выработки электроэнергии на ГРЭС. Кстати, данные об объёмах сжигаемого на факелах попутного газа, приводимые разными источниками, варьируют в весьма широких пределах: разброс данных от 4–5 до 10–15 млрд. м³ в год.

Вред от сжигания попутного газа

Поступающие в окружающую среду продукты сгорания попутного нефтяного газа (ПНГ) представляют собой потенциальную угрозу нормальному функционированию человеческого организма на физиологическом уровне.

Статистические данные по Тюменской области, основному нефтегазодобывающему региону России, свидетельствуют, что заболеваемость населения по многим классам болезней выше общероссийских показателей и данных по Западно-Сибирскому району в целом (очень высоки показатели по болезням органов дыхания!). По ряду заболеваний (новообразования, болезни нервной системы и органов чувств и пр.) наблюдается тенденция к росту. Очень опасны воздействия, последствия которых выявляются не сразу. Таковыми являются влияние загрязняющих веществ на способность людей к зачатию и вынашиванию детей, развитие наследственных патологий, ослабление иммунной системы, рост числа онкологических заболеваний.

Варианты утилизации попутного нефтяного газа

Попутный нефтяной газ (ПНГ) сжигается не потому, что не может быть полезно использован и ни для кого не представляет ценности.

Возможны два направления его использования (исключая бесполезное сжигание на факелах):

• Энергетическое

Это направление доминирует, потому что энергетическое производство имеет практически неограниченный рынок. Попутный нефтяной газ - топливо высококалорийное и экологически чистое. Учитывая высокую энергоемкость нефтедобычи, во всём мире существует практика его использования для выработки электроэнергии для промысловых нужд. Технологии для этого существуют и ими полностью владеет компания «Новая генерация». При постоянно растущих тарифах на электроэнергию и их доли в себестоимости продукции, использование ПНГ для выработки электроэнергии можно считать экономически вполне оправданным.

Примерный компонентный состав попутного нефтяного газа (ПНГ)

Диаграмма состава попутного нефтяного газа

• Нефтехимическое

Попутный нефтяной газ (ПНГ) может быть переработан с получением сухого газа, подаваемого в систему магистральных трубопроводов, газового бензина, широкой фракции лёгких углеводородов (ШФЛУ) и сжиженного газа для бытовых нужд. ШФЛУ является сырьём для производства целого спектра продуктов нефтехимии; каучуков, пластмасс, компонентов высокооктановых бензинов и др.

На современном этапе развития нефтяной отрасли добывающие компании взяли курс на повышение эффективности утилизации попутного газа, неизбежного спутника «чёрного золота» на любом месторождении мира. От простого и привычного факельного сжигания газа операторы переходят к новейшим технологиям его использования и переработки. Тем не менее, утилизация нефтяного газа по-прежнему является малорентабельной и трудоёмкой.

Что представляет собой попутный газ

Попутный нефтяной газ (ПНГ) находится в нефтяных пластах. Он выделяется при снижении показателей давления залежей до отметки, меньшей, чем давление насыщения нефти. Газовый фактор - концентрация газа в нефти - зависит от глубины залежей и колеблется в пределах от пяти кубометров в верхних слоях до нескольких тысяч кубометров на тонну в нижних пластах. ПНГ выделяется в процессе подготовки и добычи нефти. После вскрытия пласта в первую очередь начинает бить газовый фонтан из «шапки». Кроме того, газообразные углеводороды образуются при термической обработке сырья, в том числе гидроочистке, риформинге и крекинге.

Непосредственно отделение нефтяного газа от нефти при помощи сепарирования производится с целью достижения нормативного качества «чёрного золота». Такая работа проводится с применением сепараторов многоступенчатого типа. На первой ступени такого устройства давление составляет до 30 бар, на последней - до 4 бар. В свою очередь, температура и давление получаемого газа зависит от конкретной технологии сепарирования. При этом выход газа является непостоянным и составляет 100–5000 кубометров в час или 25–800 кубометров с тонны.

Состав газа может меняться в зависимости от того, каковы конкретные характеристики нефти, условия её формирования и залегания, а также факторы, которые могут способствовать дегазации сырья. Вместе с лёгкой нефтью на поверхность извлекаются жирные газы, а с тяжёлой - сухие.

Ценность получаемого продукта прямо пропорциональна объёму углеводородов в его составе, содержание которых колеблется на уровне 100–600 граммов на кубометр ПНГ. Газ, который выделяется из «шапок», называемый свободным, содержит меньше тяжёлых углеводородных компонентов, чем тот, который растворён непосредственно в нефти. Благодаря таким свойствам, доля метана в ПНГ на начальных этапах разработки месторождений выше, чем в более поздние периоды освоения блоков. После истощения газовых «шапок» основная часть ПНГ замещается газами, растворёнными в нефти.

Классификация ПНГ по качественному составу:

1. Чистый углеводородный (95–100% углеводородов).
2. Углеводородный с углекислым газом (примесь 4–20% CO 2).
3. Углеводородный с азотом (примесь 3–15% N 2).
4. Углеводородно-азотный (до 50% N 2).

Нефтяной газ отличается от природного, состоящего преимущественно из метана, большими количествами бутана, пропана и этана, других предельных углеводородов. ПНГ включает не только газовые, но и парообразные компоненты, высокомолекулярные жидкости, начиная с пентанов, а также вещества, которые не являются углеводородами - меркаптаны, сероводород, аргон, азот, гелий, углекислота.

Опасность для человека и природы

В связи с невысокими темпами развития инфраструктуры, необходимой для сбора, перемещения и переработки нефтяного газа и ввиду отсутствия спроса на него, весь без исключения ПНГ раньше сжигался в факелах прямо в местах нефтедобычи. Даже в настоящее время нет возможности оценить объёмы сжигаемого попутного газа, поскольку на многих месторождениях отсутствуют системы учёта.

По усреднённым оценкам, речь идёт о десятках миллиардов кубометров в год во всём мире. В двухтысячных годах только в России сжигалось 6,2 млрд кубометров ПНГ ежегодно. Исследование освоения Приобского месторождения в ХМАО позволяет сделать вывод о том, что такие данные были значительно занижены, поскольку только на этом участке в год сжигается порядка миллиарда кубометров ПНГ.

Подсчитано, что в результате сжигания газа над российской территорией ежегодно образуется около 100 млн тонн углекислого газа. Такие оценки были сделаны, исходя из допущения об эффективной утилизации газа, хотя это и далеко от реальности. На самом же деле вследствие неполного сжигания газа в атмосферу попадает и метан, который считается более активным парниковым газом, чем углекислота. При сгорании газа также происходит выброс окиси азота и сернистого ангидрида. Такие компоненты в атмосферном воздухе вызывают учащение случаев заболеваний органов дыхательной системы, зрения и желудочно-кишечного тракта людей, проживающих в регионах нефтедобычи.

В атмосферный воздух ежегодно попадают также около 500 тыс. тонн активной сажи. Эксперты в области экологии полагают, что частички сажи могут свободно переноситься на большие расстояния и осаждаться льдом или снегом на земной поверхности, что приводит к ухудшению обстановки в районах нефтепромысла вследствие выпадения твёрдых загрязняющих частиц.

Помимо выхода в атмосферу токсичных компонентов, происходит и тепловое загрязнение. Вокруг факела, в котором сжигается ПНГ, начинается термическая деструкция почвы в радиусе до 25 метров, растительность страдает на большей площади - в радиусе до 150 метров.

До вступления в силу в 2004 году Киотского протокола, который включает требование использования попутного нефтяного газа, к проблеме утилизации ПНГ в российском государстве практически не присматривались. Ситуация изменилась в лучшую сторону с 2009 года, когда постановлением правительства РФ было предписано сжигать в факелах не более 5% от объёма попутного нефтяного газа.

Сжигание попутного нефтяного газа за рубежом жёстко преследуется властями и облагается значительными штрафами. Финансовые санкции за сжигание таковы, что оно становится экономически нецелесообразным. В России же настолько эффективные меры пока не принимаются.

В Минприроды РФ, к примеру, заявили, что в стране ежегодно добываются 55 млрд кубометров нефтяного газа и лишь 26% из этого объёма направляется на переработку, ещё 47% используется на месте в нуждах промысла и списывается, а остальной газ - 27% - сжигается. Пронедра писали ранее, что 95-процентная утилизация ПНГ в России ожидается лишь к 2035 году.

Транспортные проблемы

Низкие темпы сокращения объёмов сжигания газа связаны прежде всего с неразвитостью технологий, которые позволяли бы эффективно его утилизировать. Состав такого газа нестабилен и включает примеси. Большие расходы связаны с необходимостью «усушки» ПНГ, поскольку ему характерен высокий уровень влагосодержания, достигающий 100%.

ПНГ насыщен тяжёлыми углеводородами, что значительно осложняет процесс его транспортировки по трубопроводным системам. Потенциальные потребители газа обычно удалены от месторождений нефти на значительные расстояния. Прокладка трубопроводов к газоперерабатывающим предприятиям связана с высокой стоимостью реализации таких проектов. Километр трубопроводной магистрали для перекачки ПНГ стоит около $1,5 млн.

Южно-Приобская компрессорная станция

В связи с транспортными расходами себестоимость перекачки 1 тыс. кубометров газа обходится в $30. Для сравнения, затраты на получение такого же количества природного газа на предприятиях «Газпрома» составляет максимум $7. При себестоимости добычи ПНГ до 250 рублей и транспортировки - 400 рублей за 1 тыс. кубометров, цена на такой газ на рынке устанавливается не выше 500 рублей, что автоматически делает любой способ переработки нерентабельным. Напомним, «Лукойл» предложил установить льготное налогообложение добычи ПНГ, подлежащего глубокой переработке.

Значительные эксплуатационные затраты связаны также с потерями попутного газа по пути его перемещения к точкам переработки. Масштабы технологических потерь рассчитать не представляется возможным, поскольку сейчас отсутствует налаженная система их инструментального учёта. Убыточность работы с ПНГ приводит к тому, что отраслевые компании по факту включают стоимость строительства и эксплуатации трубопроводных систем и компрессорных станций для транспортировки газа в себестоимость нефти.

Использование газа для промысловых нужд

В качестве альтернативы неэффективному сжиганию и затратной переработке может служить технология утилизации ПНГ путём его закачки вместе с рабочими жидкостями обратно в пласт - в «шапку» - в процессе добычи нефти для восстановления давления залежей. Таким образом может достигаться повышение степени отдачи пласта.

По результатам исследований выяснилось, что с применением методики закачки в пласт в год с одной скважины можно добыть дополнительно до 10 тыс. тонн нефти. Сейчас изучается возможность внедрения технологии закачки в пласт попутного газа вместе с водой, которая получила название «водогазовое воздействие». К сожалению, практика закачки газа в пласты применяется в основном за рубежом, а в России по причине высокой затратности она популярности пока не обрела.

Операторы нефтяных месторождений применяют ПНГ в том числе для электрогенерации. Выработанная энергия используется как для нужд промысла, так и для электроснабжения близлежащих районов. Для операторов, которые занимаются освоением небольших месторождений, экономически целесообразно производить энергию для удовлетворения собственных нужд и поставок энергии в малых объёмах для сторонних потребителей.

Шингинская газотурбинная электростанция, работающая на попутном нефтяном газе

Если речь идёт о получении нефтяного газа на крупных блоках, то в данном случае наиболее привлекательным вариантом является производство энергии на мощных электростанциях с дальнейшей оптовой продажей в общую энергосистему. В России строительство электростанций на ПНГ на месторождениях уже применяется повсеместно. Совокупный объём генерации по упомянутой схеме приближается к 1 млрд кВт·ч в год.

Эффективность ПНГ для получения энергии целесообразна при условии близкого расположения генерации к месторождениям. Самым эффективным вариантом является применение энергоустановок с микротурбинами. Сейчас уже производится большое количество установок как поршневого и турбинного типа, которые работают на нефтяном газе. Выхлопные фракции, образующиеся при использовании ПНГ в таких системах, можно применять для теплоснабжения объектов.

В то же время, наличие в составе ПНГ углеводородов тяжёлой группы негативно сказывается на эффективности использования газа в качестве топлива для выработки энергии, а именно снижает номинальную производительность станций и сокращает время работы генерирующих объектов между ремонтами. Следует отметить, что нестабильный состав и загрязнённость примесями делает применение ПНГ для энергогенерации без предварительной усушки и очистки проблематичным.

Очистка и переработка ПНГ

Весь попутный газ, который нефтекомпании не сжигают в факелах и не используют для закачки в пласт или для выработки электроэнергии, направляется на переработку. Перед транспортировкой на перерабатывающие мощности производится очистка нефтяного газа. Освобождение газа от механических примесей и воды облегчает его транспортировку. С целью же предотвращения выпадения сжиженных фракций в полости газопроводов и облегчения смеси в целом производится отфильтровывание части тяжёлых углеводородов.

Удаление сернистых элементов позволяет предотвратить коррозионное воздействие ПНГ на стенки трубопроводов, а извлечение азота и углекислоты даёт возможность снизить объём смеси, не используемый в переработке. Очистка осуществляется с применением разных технологий. После охлаждения и компримирования (сжатия под давлением) газа производится его сепарация или обработка газодинамическими методами. Такие способы являются недорогими, но не позволяют извлечь углекислоту и сернистые компоненты из ПНГ.

Разделительные сепараторы на установке подготовки нефти

В случае задействования сорбционных методов не только частично удаляется сероводород, но и производится осушка от воды и влажных углеводородных фракций. Недостатком сорбции является неудовлетворительная адаптация технологии к полевым условиям, что приводит к потере до трети объёма ПНГ. Для удаления влаги может применяться метод гликолевой сушки, однако лишь в качестве дополнительной меры, поскольку, кроме воды, он ничего более из смеси не извлекает. Другим специализированным способом является обессеривание - как очевидно из названия, применяемый для удаления сернистых компонентов. Также используются методы щелочной очистки и аминовой отмывки.

Адсорбционный осушитель для осушки попутного газа

Все вышеупомянутые способы на сегодняшний день уже можно считать устаревшими. Со временем, вероятно, они будут вытеснены или скомбинированы с самым новым и достаточно эффективным методом - мембранной очисткой. Принцип основан на разной скорости проникновения различных компонентов ПНГ через волокна мембран. До настоящего времени такой метод не применялся в силу того, что до момента выпуска на рынок половолоконных мембран его использование было неэффективным и не имело преимуществ перед другими способами обработки газа.

Принцип работы мембранной установки

Очищенный газ, если сразу же не продаётся потребителям в сжиженном виде для бытовых и коммунальных нужд, проходит процедуру разделения в двух сегментах - для получения топлива или сырья для нефтехимической промышленности. После его поступления на перерабатывающее предприятие производится разделение ПНГ с помощью низкотемпературной абсорбции и конденсации на основные фракции, некоторые из них являются готовыми к использованию продуктами.

В результате разделения образуется по большей части отбензиненный газ - метан с примесью этана, и широкая фракция лёгких углеводородов (ШФЛУ). Отбензиненный газ может свободно транспортироваться по трубопроводным системам и применяться как топливо, а также служить сырьём для производства ацетилена и водорода. Кроме того, путём газопереработки производится автомобильный пропан-бутан жидкого типа (т. е. газомоторное топливо), ароматические углеводороды, узкие фракции и стабильный газовый бензин. ШФЛУ отправляются для дальнейшей переработки на нефтехимические предприятия. Там из данного сырья производятся пластмассы, каучук, топливные присадки, сжиженные углеводороды.

1 - закачка газа в пласт; 2 - топливо для электростанции; 3 - сжигание; 4 - глубокая очистка; 5 - магистральный газопровод; 6 - разделение ПНГ; 7 - ШФЛУ; 8 - топливо; 9 - компрессорная станция; 10 - транспортировка ПНГ

За рубежом динамичными темпами внедряется новейший метод получения жидких углеводородов из попутного газа с использованием технологии Gas-to-liquids, предусматривающей переработку химическими способами. В России данная методика вряд ли найдёт широкое применение, поскольку она плотно завязана на температурные условия окружающей среды и может реализовываться лишь в широтах с жарким или умеренным климатом. В России же преобладающая доля объёма нефти добывается в северных регионах, поэтому для взятия метода Gas-to-liquids на вооружение придётся провести кропотливую исследовательскую работу.

В отрасли активно воплощается в жизнь технология криогенного сжатия ПНГ с использованием однопоточного цикла. Самые мощные охладительные системы уже способны перерабатывать до 3 млрд кубометров попутного газа за год. Эффективным решением является установка таких комплексов на распределительных станциях.

Попутный нефтяной газ, несмотря на низкую и подчас нулевую рентабельность его переработки, находит широчайшее применение в топливно-энергетическом комплексе и нефтехимической промышленности. Вследствие сжигания ПНГ происходят безвозвратные потери колоссального объёма сырья энергоресурсов. Так, ежегодно в России «сжигается» в факелах почти 140 млрд рублей - совокупная стоимость содержащихся в попутном газе пропана, бутана и других компонентов.

Совершенствование технологий утилизации ПНГ позволит России производить в год дополнительно 6 млн тонн жидких углеводородов, 4 млрд кубометров этана, до 20 млрд кубометров сухого газа, а также генерировать 70 тыс. ГВт электрической энергии. Налаживание работы по эффективной утилизации ПНГ - это не только способ решения экологических проблем и задач экономии энергоресурсов, но и база для учреждения целой отрасли, стоимость которой на национальном уровне, по самым скромным подсчётам, оценивается специалистами в полтора десятка миллиардов долларов.

ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗА

Газ может находиться в природе в залежах трех типов: газовых, газонефтяных и газоконденсатных.

В залежах первого типа - газовых - газ образует огромные естественные подземные скопления, не имеющие непосредственной связи с нефтяными месторождениями.

В залежах второго типа - газонефтяных - газ сопровождает нефть или нефть сопровождает газ. Газонефтяные залежи, как указано выше, бывают двух типов: нефтяные с газовой шапкой (в них основной объем занимает нефть) и газовые с нефтяной оторочкой (основной объем занимает газ). Каждая газонефтяная залежь характеризуется га­зовым фактором - количеством газа (в м 3), приходящимся на 1000 кг нефти.

Газоконденсатные залежи характеризуются высоким давлением (более 3–10 7 Па) и высокими температурами (80–100°С и выше) в пласте. В этих условиях в газ переходят углеводороды С 5 и выше, а при снижении давления происходит конденсация этих углеводородов - процесс обратной конденсации.

Газы всех рассмотренных залежей называются природ­ными газами, в отличие от попутных нефтяных газов, растворенных в нефти и выделяющихся из нее при добыче.

Природные газы

Природные газы состоят в основном из метана. Наряду с метаном в них обычно содержатся этан, пропан, бутан, небольшое количество пентана и высших гомологов и незначительные количества неуглеводородных компонентов: углекислого газа, азота, сероводо­рода и инертных газов (аргона, гелия и др.).

Углекислый газ, который обычно присутствует во всех природных газах, является одним из главных продуктов превращения в природе органического исходного вещества углеводородов. Его содержание в природном газе ниже, чем можно было бы ожидать, исходя из механизма химических превращений органических остатков в при­роде, так как углекислый газ - активный компонент, он переходит в пластовую воду, образуя растворы бикарбонатов. Как правило, содержание углекислого газа не превышает 2,5%. Содержание азота, также обычно присутствующего в природных, связано либо с попаданием атмосферного воздуха, либо с реакциями распада белков живых организмов. Количество азота обычно выше в тех случаях, когда образование газового место­рождения происходило в известняковых и гипсовых породах.

Особое место в составе некоторых природных газов занимает гелий. В природе гелий встречается часто (в воздухе, природном газе и др.), но в ограниченных количествах. Хотя содержание гелия в природном газе невелико (максимально до 1–1,2%), выделение его оказывается выгодным из-за большого дефицита этого газа, а также благодаря большому объему добычи природного газа.

Сероводород, как правило, отсутствует в газовых залежах. Исключение составляет, например, Усть-Вилюйская залежь, где содержание H 2 S достигает 2,5%, и некоторые другие. По-видимому, наличие сероводорода в газе связано с составом вмещающих пород. Замечено, что газ, находящийся в контакте с сульфатами (гипсом и др.) или сульфитами (пирит), содержит относительно больше серо­водорода.

Природные газы, содержащие в основном метан и имеющие очень незначительное содержание гомологов С 5 и выше, относят к сухим или бедным газам. К сухим относится подавляющее большинство газов, добываемых из газовых залежей. Газ газоконденсатных залежей отличается меньшим содержанием метана и по­вышенным содержанием его гомологов. Такие газы называются жирными или богатыми. В газах газоконденсатных залежей, помимо легких углеводородов, содержатся и высококипящие гомологи, которые при снижении давления выделяются в жидком виде (конденсат). В зависимости от глубины скважины и давления на забое в газообразном состоянии могут находиться углеводороды, кипящие до 300–400°С.

Газ газоконденсатных залежей характеризуется содержанием выпавшего конденсата (в см 3 на 1 м 3 газа).

Образование газоконденсатных залежей связано с тем, что при больших давлениях происходит явление обратного растворения - обратной конденсации нефти в сжатом газе. При давлениях около 75×10 6 Па нефть растворяется в сжатом этане и пропане, плотность которых при этом значительно превышает плотность нефти.

Состав конденсата зависит от режима эксплуатации скважины. Так, при поддержании постоянного пластового давления качество конденсата стабильно, но при уменьшении давления в пласте состав и количество конденсата изменяются.

Состав стабильных конденсатов некоторых месторождений хо­рошо изучен. Конец кипения их обычно не выше 300°С. По групповому составу: большую часть составляют метановые углеводороды, несколько меньше - нафтено­вые и еще меньше - ароматические. Состав газов газоконденсатных месторождений после отделения конденсата близок к составу сухих газов. Плотность природного газа относительно воздуха (плотность воздуха принята за единицу) колеблется от 0,560 до 0,650. Теплота сгорания около 37700–54600 Дж/кг.

Попутные (нефтяные) газы

Попутным газом называется не весь газ данной залежи, а газ, растворенный в нефти и выделяющийся из нее при добыче.

Нефть и газ по выходе из скважины проходят через газосепараторы, в которых попутный газ отделяется от не­стабильной нефти, направляемой на дальнейшую переработку.

Попутные газы являются ценным сырьем для промышленного нефтехимического синтеза. Качественно они не отличаются по составу от природных газов, однако количественное отличие весьма существенное. Содержание метана в них может не превышать 25–30%, зато значительно больше его гомологов - этана, пропана, бутана и высших углеводородов. Поэтому эти газы относят к жирным.

В связи с различием в количественном составе попутных и при­родных газов их физические свойства различны. Плотность (по воз­духу) попутных газов выше, чем природных, - она достигает 1,0 и более; теплота сгорания их составляет 46000–50000 Дж/кг.

Применение газа

Одна из главных областей применения углеводородных газов - это использование их в качестве топлива. Высокая теплота сгорания, удобство и экономичность использования бесспорно ставят газ на одно из первых мест среди других видов энергетических ресурсов.

Другой важный вид использования попутного нефтяного газа - его отбензинивание, т. е. извлечение из него газового бензина на газоперерабатывающих заводах или установках. Газ подвергается при помощи мощных компрессоров сильному сжатию и охлаждению, при этом пары жидких углеводородов конденсируются, частично растворяя газообразные углеводороды (этан, пропан, бутан, изобутан). Образуется летучая жидкость - нестабильный газовый бензин, который легко отделяется от остальной неконденсирующейся массы газа в сепараторе. После фракционирования - отделения этана, пропана, части бутанов - получается стабильный газовый бензин, который используют в качестве добавки к товарным бензи­нам, повышающей их испаряемость.

Освобождающиеся при стабилизации газового бензина пропан, бутан, изобутан в виде сжиженных газов, нагнетаемых в баллоны, применяются в качестве горючего. Метан, этан, пропан, бутаны служат также сырьем для нефтехимической промышленности.

После отделения С 2 -С 4 из попутных газов оставшийся отрабо­танный газ близок по составу к сухому. Практически его можно рассматривать как чистый метан. Сухой и отработанный газы при сжигании в присутствии незначительных количеств воздуха в спе­циальных установках образуют очень ценный промышленный про­дукт - газовую сажу:

CH 4 + O 2 à C + 2H 2 O

Она применяется главным образом в резиновой промышленности. Пропусканием метана с водяным паром над никелевым катализатором при температуре 850°С получают смесь водорода и окиси угле­рода - «синтез - газ»:

CH 4 + H 2 O à CO + 3H 2

При пропускании этой смеси над катализатором FeO при 450°С окись углерода превращается в двуокись и выделяется дополни­тельное количество водорода:

CO + H 2 O à CO 2 + H 2

Полученный при этом водород применяют для синтеза аммиака. При обработке хлором и бромом метана и дру­гих алканов получаются продукты замещения:

1. СН 4 + Сl 2 à СН 3 С1 +НСl - хлористый метил;

2. СН 4 + 2С1 2 à СН 2 С1 2 + 2НС1 - хлористый метилен;

3. CH 4 + 3Cl 2 à CHCl 3 + 3HCl - хлороформ;

4. CH 4 + 4Cl 2 à CCl 4 + 4HCl - четыреххлористый углерод.

Метан служит также сырьем для получения синильной кислоты:

2СH 4 + 2NH 3 + 3O 2 à 2HCN + 6H 2 O, а также для производства сероуглерода CS 2 , нитрометана CH 3 NO 2 , который используется как растворитель для лаков.

На сегодняшний день наибольшую ценность среди всех полезных ископаемых имеют нефть и газ. Именно они, несмотря на разработки новых технологий в области энергетики, продолжают добываться по всему миру и использоваться для производства продуктов, необходимых для человеческой жизнедеятельности. Однако, наряду с ними присутствует так называемый попутный нефтяной газ, который на протяжении достаточно длительного времени не находил никакого использования. Но в последние несколько лет отношение к данному виду полезного ископаемого изменилось в корне. Он стал цениться и наряду с природным газом также использоваться.

Попутным нефтяным газом (ПНГ) называется смесь разнообразных газообразны углеводородов, которые находятся в нефти в растворенном состоянии, и выделяются во время добычи и подготовки нефти. Кроме этого, ПНГ также называются те газы, выделение которых происходит во время термической переработки нефти, например, крекинга или гидроочистки. Такие газы состоят из предельных и непредельных углеводородов, к которым относятся метан и этилен.

Стоит отметить, что попутный нефтяной газ содержится в нефти в разных количествах. Одна тонна нефти может иметь в своем составе как один кубометр ПНГ, так и несколько тысяч. Так как попутный нефтяной газ выделяется только во время сепарации нефти, и другими способами его нельзя добыть, кроме как вместе (попутно) с нефтью, то, соответственно, он является побочным продуктом нефтедобычи.

Основное место в составе ПНГ занимают метан и более тяжелые углеводороды, такие как этан, бутан, пропан и другие. Стоит отметить, что различные нефтяные месторождения будут содержать, во-первых, разный объем попутного нефтяного газа, а, во-вторых, он будет разного состава. Так, в одних регионах в составе такого газа можно обнаружить неуглеводородные компоненты (соединения азота, серы, кислорода). Также, тот газ, который выходит из-под земли в виде фонтанов после вскрытия пластов нефти в своем составе имеет сниженное количество тяжелых углеводородных газов. Это связано с тем, что та часть газа, которая представляется более «тяжелой», остается в самой нефти. В связи с этим, в самом начале разработки нефтяных месторождений, вместе с нефтью происходит добыча ПНГ, в составе которого содержится большое количество метана. Однако, при дальнейшей разработки месторождения, данный показатель уменьшается и основными компонентами газа становятся тяжелые углеводороды.

Утилизация попутного нефтяного газа

До недавнего времени данный газ никак не использовался. Сразу после его добычи происходило сжигание попутного нефтяного газа. Это было связано, в основном с тем, что не было необходимой инфраструктуры для его сбора, транспортировки и переработки, в результате чего основная масса ПНГ просто терялась. Поэтому, большая его часть сжигалась в факелах. Однако, сжигание попутного нефтяного газа имело ряд негативных последствий, связанных с выбросом в атмосферу огромного количества загрязняющих веществ, таких, как частицы сажи, углекислый газ, диоксид серы и многое другое. Чем выше концентрация данных веществ в атмосфере, тем меньше здоровья у людей, так как они способны вызывать заболевания репродуктивной системы человеческого организма, наследственные патологии, онкологические заболевания и др.

Таким образом, до недавнего времени, уделялось много внимания утилизации и переработке попутного нефтяного газа. Так, существует несколько методов, которыми пользовались с целью утилизировать ПНГ:

1. Переработка попутного нефтяного газа в энергетических целях. Данный способ позволяет применять газ в качестве топлива в промышленных целях. При таком способе переработки в конечном итоге получается экологически чистый газ с улучшенными свойствами. Кроме этого, данный способ утилизации является очень выгодным для производства, поскольку позволяет предприятию сэкономить собственные средства. Данная технология имеет множество плюсов, одним из которых является экологичность. Ведь, в отличие от простого сжигания ПНГ, в данном случае горение отсутствует, а, следовательно, выброс вредных веществ в атмосферу минимален. Кроме этого, есть возможность дистанционно контролировать процесс утилизации газа.
2. Применение ПНГ в нефтехимической промышленности. Имеет место обработка такого газа с появлением сухого газа, бензина. Полученные на выходе продукты применяются для удовлетворения бытовых производственных потребностей. Например, подобные смеси являются неотъемлемыми участниками процессов производства многих искусственных нефтехимических продуктов, таких, как пластмасса, бензина с высоким октановым числом, многих полимеров;
3. Повышение нефтеотдачи путем закачивания ПНГ в пласт. Данный метод обуславливает соединение ПНГ с водой, нефтью, а также другими горными породами, в результате чего происходит реакция, которая взаимодействует с обменом и взаимным растворением. В этом процессе происходит насыщение воды химическими элементами, что, в свою очередь, приводит к более интенсивному процессу нефтяной добычи. Однако, не смотря на то, что данный метод, с одной стороны, является полезным, так как увеличивает нефтеотдачу, с другой стороны, он наносит непоправимый вред оборудованию. Это связно с отложением солей на технике во время использования данного метода. Поэтому, если такой метод имеет смысл применить, то наряду с ним осуществляется множество мероприятий, направленных на сохранение живых организмов;
4. Использование «галзифта». Другими словами, газ закачивается в скважину. Данный способ отличается своей экономичностью, поскольку в данном случае необходимо потратиться только на приобретение надлежащего оборудования. Метод целесообразно использовать для неглубоких скважин, в которых наблюдаются большие перепады давления. Кроме этого, «газлифт» часто применяют при обустройствах канатных систем.

Несмотря на разнообразие способов переработки попутного нефтяного газа, наиболее распространенным является разделение газа на составляющие. Благодаря данному методу становится возможным получить сухой очищенный газ, который ни чем не хуже привычного всем природного газа, а также широкую фракцию легких углеводородов. В таком виде смесь пригодна для применения в качестве сырья для нефтехимической промышленности.

Использование попутного нефтяного газа

На сегодняшний день попутный нефтяной газ является не менее ценным полезным ископаемым, чем нефть и природный газ. Он добывается попутно с нефтью и используется в качестве топлива, а также для производства различных веществ в химической промышленности. Нефтяные газы также являются отличным материалом для получения пропилена, бутиленов, бутадиена и других продуктов, участвующих в процессе производства таких материалов, как пластмасса и каучуки. Стоит отметить, что в процессе множественных исследований попутного нефтяного газа было выявлено, что он является очень ценным сырьем, поскольку обладает определенными свойствами. Одним из таких свойств выступает высокая теплотворная способность, поскольку при его сгорании выделяется порядка 9-15 тысяч ккал/кубометр.

Кроме этого, как уже говорилось ранее, попутный газ из-за содержания в своем составе метана и этана является отличным исходным материалом для производства различных веществ, используемых в химической промышленности, а также для изготовления топливных присадок, ароматических углеводородов и сжиженных углеводородных газов.

Данный ресурс используется в зависимости от размера месторождения. Например, тот газ, который извлекается из мелких месторождений, уместно будет использовать для обеспечения электроэнергией потребителей на местах. Добытый ресурс из средних месторождений рациональнее всего продавать предприятиям химической промышленности. Газ из крупных месторождений уместно применять для производства электроэнергии на крупных электростанциях с дальнейшей продажей.

Таким образом, стоит отметить, что попутный природный газ в настоящее время считается очень ценным полезным ископаемым. Благодаря развитию технологий, изобретению новых способов очистки атмосферы от промышленных загрязнений, люди научились добывать и рационально использовать ПНГ с минимальным вредом для окружающей среды. При этом, сегодня ПНГ практически не утилизируется, а рационально используется.