СПОСОБ ОБУСТРОЙСТВА МЕСТОРОЖДЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ Российский патент 2021 года по МПК E21B43/34 F25J1/00 

Изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано при обустройстве месторождений углеводородов, удаленных от развитой инфраструктуры, например, в условиях крайнего севера, при энергообеспечении объектов, удаленных от энергосетей и магистральных трубопроводов.

При разработке удаленных месторождений компании сталкиваются с проблемами энергообеспечения. Основными проблемами при обустройстве удаленных месторождений являются: 1. удаленность большинства месторождений от энергосетей; 2. отсутствие транспортной инфраструктуры; 3. временный характер обустройства месторождений.

В удаленных районах при разработке месторождений полезных ископаемых вынуждены, как правило, использовать привозное дизельное топливо (ДТ). Дизельное топливо используют для работы буровых установок, спецтехники и для выработки электроэнергии. Однако, в условиях удаленности от транспортной инфраструктуры завоз дизельного топлива оказывается достаточно дорогостоящим.

Альтернативой является использование добываемых на месте полезных ископаемых. Например, в патенте RU 2443764 от 05.07.2010 (патентообладатель ИК СО РАН, авторы Снытников П.В. и др., кл. МПК C10L 3/10) описан способ работы устройства подготовки ПНГ и сырых природных газов для использования в энергоустановках. Суть технического решения по данному патенту заключается в том, что широкую фракцию легких углеводородов (ШФЛУ), присутствующих в попутном нефтяном газе или природном газе, преобразуют путем каталитической конверсии, в метан. Техническое решение по патенту направлено на то, чтобы промыслы нефте- и газодобычи могли бы использовать добываемые ими ПНГ или сырые природные газы для выработки электроэнергии для собственных нужд.

Недостаток данного технического решения заключается в том, что по данному способу может быть обеспечена выработка электроэнергии, во-первых, только локально, непосредственно в месте добычи. Помимо этого, в результате конверсии ШФЛУ в метан получается высокооктановое топливо, а данная марка топлива является избыточной для работы энергоустановок на месторождении, то есть использовать высокооктановое топливо для рассматриваемых задач нецелесообразно. К тому же получаемое топливо может не соответствовать современным экологическим требованиям.

В патенте США №4139019 от 13.02.1979 г. (автор Bresie и др., патентообладатель TEXAS GAS TRANSPORT, МПК F17C 5/00, F17D 1/02, F17C 5/02) описан способ, в котором природный газ из одной или нескольких скважин собирают, обезвоживают, подвергают сжатию под высоким давлением (т.е. получают компримированный природный газ) и загружают в резервуар высокого давления, рассчитанный на транспортировку транспортным средством при температуре окружающей среды. Затем резервуар высокого давления перемещают до магистрального трубопровода или конечного потребителя и разгружают природный газ, одновременно нагревая его, чтобы предотвратить образование вредных гидратов, при этом его дозируют.

Данный способ направлен на решение задачи транспортировки добытого сырья к магистральному газопроводу или конечному потребителю, и, в принципе, может быть применен для энергообеспечения разработки месторождения, состоящего из нескольких кустов скважин, удаленных друг от друга на значительное расстояние, за счет добываемого сырья. Данный способ выбран в качестве прототипа. Недостаток данного технического решения заключается в следующем: КПГ - сжатый природный газ, в емкостях находится под давлением 20-25 МПа, при этом газ имеет температуру окружающей среды. Из-за высокого давления при транспортировке и хранении КПГ требуется использовать баллоны высокого давления, выдерживающие высокие нагрузки. Соответственно стенки баллона должны быть толще, что приводит к утяжелению газобаллонного оборудования и, как следствие, росту расходов на транспортировку. Если речь идет о потребности в десятках тысяч тонн топлива в год - необходимый объем топлива для работы оборудования на месторождении, то увеличение расхода топлива на его транспортировку и рост соответствующих затрат становится существенным.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи обеспечения энергией месторождения при эксплуатационном бурении, когда ведется его подготовка (обустройство) к промышленной разработке, в условиях удаленности от внешних источников энергии. Технический результат заключается в независимости энергообеспечения буровых установок от внешних источников энергии, в мобильности и гибкости системы энергообеспечения буровых установок, а также в повышении эффективности процесса энергообеспечения.

Заявляемый технический результат достигается следующим. Способ обустройства месторождения углеводородов, согласно заявляемому изобретению, характеризующийся тем, что природный газ из одной или нескольких скважин имеющихся на месторождении собирают, осуществляют сжижение природного газа на малотоннажной установке сжижения природного газа, получают сжиженный природный газ, который транспортируют на место бурения k-ого куста скважин в криогенной цистерне автотранспортом, где используют в качестве топлива для мобильной газовой электростанции при выработке электроэнергии для привода буровой установки на k-ом кусте скважин, далее малотоннажную установку сжижения природного газа (если она - модульная) и мобильную газовую электростанцию перемещают на новые участки месторождения при необходимости.

Дополнительно, сжижение природного газа осуществляют с применением дроссельно-эжекторного цикла.

Дополнительно, в технологическом процессе сжижения используют компрессор поддержания пластовых давлений.

Дополнительно, сжиженный природный газ (далее - СПГ) используют как топливо для автотранспорта, предназначенного для транспортировки СПГ.

Дополнительно СПГ используют как топливо для специальной и аварийно-спасательной техники.

Дополнительно, СПГ используют для обеспечения топливом на коммунально-хозяйственные нужды.

Разработка (обустройство) месторождения - это многолетний процесс. Сначала бурение начинают на одном участке, затем, по мере выработки исходных участков и прокладывания транспортной инфраструктуры, переходят на новые участки бурения, которые могут находиться на расстоянии в несколько десятков километров друг от друга. Предложенный способ позволяет повысить эффективность энергообеспечения в процессе обустройства месторождения при уже имеющемся на месторождении хотя бы одном участке бурения.

Сущность технического решения заключается в том, что обустройство газового месторождения осуществляют за счет того, что энергообеспечение бурения каждого последующего куста скважин (куст скважин - это несколько скважин, расположенных вблизи друг друга, на одном участке бурения) обеспечивают за счет сжиженного природного газа (далее - СПГ), полученного из природного газа, добытого на данном или соседнем месторождении. Для добычи природного газа и производства СПГ возможно использовать один базовый куст скважин, и развозить топливо по остальным кустам скважин (участкам бурения) веерным способом. А можно использовать таким образом: на первом кусте скважин добывают природный газ, производят из него СПГ, которым обеспечивают бурение второго куста скважин, а затем из газа, добытого на втором кусте скважин, производят СПГ и обеспечивают бурение третьего куста скважин и т.д. Также могут быть комбинированные варианты. При этом малотоннажную установку сжижения природного газа (если она - модульная) и мобильную газовую электростанцию перемещают на участки месторождения, где происходит добыча и подготовка газа, а также бурение соответственно. Возможен вариант, при котором малотоннажная установка сжижения природного газа - стационарная, а перемещают только мобильную газовую электростанцию. Таким образом может быть обеспечена разработка всего месторождения. То есть, благодаря данному способу достигается сокращение плеча доставки топлива и гибкое изменение схемы транспортировки в зависимости от геометрии залежей полезных ископаемых и расположения соответствующих площадок бурения на конкретном месторождении.

Повышение эффективности процесса энергообеспечения достигается следующим. При сжижении метан уменьшается в объеме почти в 600 раз - в этом главное преимущество сжижения по сравнению с КПГ. При перевозке СПГ любым видом транспорта в единице объема криогенной цистерны транспортируют в 2-3 раза больше вещества, чем в баллонах КПГ. При этом, так как СПГ - это жидкость, она перевозится при относительно невысоком давлении, и для ее перевозки не требуются цистерны высокого давления, т.е. цистерны для транспортировки СПГ имеют гораздо меньший вес: удельная металлоемкость на единицу перевозимого объема газа почти в 7-9 раз меньше, чем при транспортировании КПГ.

Все это в совокупности - возможность гибкого изменения плеча доставки, возможность транспортировать в единице объема в 2-3 раза больше горючего вещества в цистернах в 7-9 раз меньших по весу (что достигается за счет использования СПГ) сказывается на энергоэффективности процесса транспортировки, а следовательно, на энергоэффективности процесса обустройства месторождения в целом.

Транспортировка и хранение газа в виде СПГ, т.е. при более низком давлении (до 1 МПа) обеспечивает большую взрывобезопасность в сравнении со сжатым (КПГ) газом под давлением до 20 МПа.

Применение дроссельно-эжекторного цикла обеспечивает простоту подготовки СПГ и быстрый выход на технологический режим после простоя, то есть данное оборудование можно быстро и безопасно останавливать и запускать по мере необходимости. При этом в технологическом процессе сжижения в качестве компрессора, обеспечивающего сжатие сырьевого газа, возможно использовать компрессоры поддержания пластовых давлений или утилизации газа, являющиеся частью оборудования для добычи сырья и обеспечивающие закачку избыточных объемов добываемого природного газа обратно в пласт.

При сжижении природного газа происходит его дополнительная очистка от кислых газов (примесей углекислого газа и сероводорода), так как эти компоненты улетучиваются в процессе сжижения, благодаря этому увеличивается ресурс работы энергоустановок, работающих на СПГ и снижается количество вредных выбросов в окружающую среду от сжигания СПГ.

В настоящее время СПГ является наиболее экологически чистым видом топлива. При использовании природного газа вместо дизельного топлива значительно снижается выброс токсичных веществ в атмосферу:

снижение объема выбросов оксида углерода в 2-3 раза;

снижение объема выбросов окислов азота - в 2 раза;

снижение объема выбросов углеводородов - в 3 раза;

снижение уровня задымленности - в 9 раз;

отсутствие выбросов частиц сажи в атмосферу.

Применение СПГ вместо дизельного топлива при осуществлении буровых работ приведет к значительному снижению уровня выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, что, в свою очередь, приведет к улучшению экологической ситуации.

Кроме того, СПГ возможно использовать как топливо для его же транспортировки, для работы специальной и аварийно-спасательной техники, для обеспечения топливом и энергией других потребителей.

Низкая температура кипения гарантирует полное испарение СПГ даже при самых низких температурах окружающего воздуха. То есть низкие температуры окружающей среды практически не влияют на надежность подачи газа на электростанцию (в противоположность дизельному топливу), так как температура кипения СПГ составляет около минус 162°С при атмосферном давлении. Этот фактор благоприятно скажется при освоении месторождений в северных широтах. По сравнению с ДТ, при использовании СПГ фактический срок эксплуатации двигателей электрогенераторов увеличивается до 50%, что обусловлено следующими факторами:

значительное снижение образования осадка (нагара) на деталях цилиндро-поршневой группы;

снижение расхода моторного масла на 30-40% при длительном сохранении качественных свойств, что заметно увеличивает ресурс двигателя;

отсутствие образования копоти в камерах сгорания котлов и дымовых трубах котельной;

отсутствие в составе СПГ примесей серы, разрушающих металл дымовых труб.

Таким образом, благодаря совокупности существенных признаков достигается технический результат, заключающийся в независимости энергообеспечения буровых установок от внешних источников энергии, в мобильности и гибкости системы энергообеспечения буровых установок, а также в повышении эффективности процесса энергообеспечения по сравнению с прототипом.

Данное техническое решение реализуют следующим образом. Природный газ добывают из одной или нескольких скважин, имеющихся на месторождении. Добытый пластовый газ проходит предварительную очистку и осушку, при которых отделяются механические примеси, вода и углеводородный конденсат.

Далее, осуществляют сжижение природного газа (предпочтительно) с применением дроссельно-эжекторного цикла на малотоннажной установке сжижения, при этом получают СПГ марки "Б". Процесс сжижения газа протекает по технологии перепада давления за счет дроссельно-эжекторного цикла (или иного метода получения СПГ). При этом на входе в блок сжижения в качестве компрессора сырьевого газа, обеспечивающего сжатие сырьевого газа, возможно использовать компрессоры поддержания пластового давления. Компрессоры поддержания пластового давления являются частью оборудования газодобычи и обеспечивают нагнетание избыточных объемов добываемого природного газа с целью его обратной закачки в пласт. Нагнетание давления газа в процессе сжижения до 20 МПа обеспечивает повышение дроссель-эффекта при расширении газа и, соответственно, повышение коэффициента сжижения газа за проход. Производительность установки сжижения (технологической линии) по сырьевому природному газу выбирается в зависимости от предполагаемых объемов потребления.

Установка сжижения работает совместно с системой хранения, т.е. окончательное получение СПГ осуществляется в криогенных изотермических резервуарах, в которых поддерживаются стационарные рабочие условия.

Далее, полученный СПГ направляют на заправку криогенной цистерны и/или автотранспорта. При этом пары природного газа, образовавшиеся при заправке криогенной цистерны или автотранспорта, направляются обратно в систему хранения СПГ. Для обеспечения безопасной эксплуатации установки избыточные пары должны сбрасываться на утилизацию через регулятор поддержания давления в системе хранения.

Система хранения предназначена для приема сжиженного природного газа из установки сжижения с рабочим давлением 0,3 МПа, обеспечения его длительного хранения и заправки в криогенные цистерны для транспортирования или для подачи в топливораздаточную колонку. Система хранения представляет собой двустенные цилиндрические резервуары, состоящие из внутреннего сосуда и наружного кожуха, с соответствующей трубопроводной обвязкой. На нижнем днище каждого резервуара расположен арматурный шкаф и атмосферный испаритель наддува, предназначенный для обеспечения наддува резервуара при выдаче СПГ из системы.

Далее, СПГ транспортируют на место бурения скважин автотранспортом, где используют в качестве топлива на мобильной газовой электростанции для выработки электроэнергии для привода буровой установки на k-ом кусте скважин. При этом хранение запаса СПГ обеспечивают в системе приема, хранения и регазификации. СПГ доставляют к каждой системе хранения, расположенной на площадке каждой буровой установки. СПГ сливается (перекачивается) из криогенной цистерны в емкость системы хранения. Устройство емкости системы хранения СПГ на участке бурения аналогична системе хранения на участке производства СПГ.

Далее, за счет избыточного давления в емкости, СПГ подают на атмосферные испарители, где происходит регазификация сжиженного природного газа за счет использования тепла окружающего воздуха. Избыточное давление в емкости поддерживается собственным отдельным испарителем наддува, что позволяет обеспечить поддержание постоянного давления в сосуде. Атмосферные испарители дублированы, что позволяет переключать подачу СПГ на параллельную линию для периодического их отогрева.

После атмосферных испарителей природный газ поступает в нагреватель (электрический или газовый), где его температура повышается до +5…+15°С, и затем поступает в газорегуляторный пункт, в котором происходит редуцирование и поддержание давления газа на заданном уровне.

Для продувки азотом при обслуживании системы, а также для продувки мест стыковки заправщика с хранилищем СПГ предусматривается баллонная рампа с азотом.

Далее природный газ подают на мобильную газовую электростанцию, полученной электроэнергией обеспечивают работу буровой установки и других объектов месторождения. Один энергоцентр с мобильной газовой электростанции может снабжать несколько буровых через прокладку линий электропередач (временно построенных или постоянных).

Благодаря данному способу обеспечивается независимость энергообеспечения буровых установок от внешних источников энергии, мобильность и гибкость системы энергообеспечения буровых установок, а также повышение эффективности процесса энергообеспечения по сравнению с аналогами. Кроме того, увеличивается срок службы оборудования и снижаются вредные выбросы в атмосферу.

Изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано при обустройстве месторождений углеводородов, удаленных от развитой инфраструктуры, например в условиях крайнего Севера, при энергообеспечении объектов, удаленных от энергосетей и магистральных трубопроводов. Технический результат – повышение эффективности энергообеспечения буровых установок за счет независимости энергообеспечения от внешних источников энергии, мобильности и гибкости системы энергообеспечения. По способу в качестве сырья для выработки электроэнергии используют природный сырьевой газ, добытый на одной или нескольких скважинах, имеющихся на месторождении. Осуществляют осушку и очистку добытого сырьевого газа с отделением механических примесей, воды и конденсата. Добытый сырьевой газ сжижают на малотоннажной установке сжижения с применением дроссельно-эжекторного цикла и оборудования газодобычи – компрессора поддержания пластового давления. За счет этого получают сжиженный газ заданной марки и повышают коэффициент сжижения. Полученный сжиженный природный газ транспортируют на место бурения k-го куста скважин в криогенной цистерне автотранспортом, где используют в качестве топлива для мобильной газовой электростанции при выработке электроэнергии. Полученную электроэнергию используют для привода буровой установки на k-ом кусте скважин. Далее малотоннажную установку сжижения природного газа и мобильную газовую электростанцию перемещают, при необходимости, на новые участки месторождения. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ обустройства месторождения углеводородов, характеризующийся тем, что в качестве сырья для выработки электроэнергии используют природный сырьевой газ, добытый на одной или нескольких скважинах, имеющихся на месторождении, осуществляют осушку и очистку добытого сырьевого газа с отделением механических примесей, воды и конденсата, осуществляют сжижение добытого сырьевого газа на малотоннажной установке сжижения с применением дроссельно-эжекторного цикла и оборудования газодобычи – компрессора поддержания пластового давления для получения сжиженного газа заданной марки и повышения коэффициента сжижения, получают сжиженный природный газ, который транспортируют на место бурения k-го куста скважин в криогенной цистерне автотранспортом, где используют в качестве топлива для мобильной газовой электростанции при выработке электроэнергии для привода буровой установки на k-ом кусте скважин, далее малотоннажную установку сжижения природного газа и мобильную газовую электростанцию перемещают на новые участки месторождения, при необходимости.

2. Способ обустройства месторождения углеводородов по п. 1, отличающийся тем, что сжиженный природный газ используют дополнительно как топливо для автотранспорта, предназначенного для транспортировки сжиженного природного газа.

3. Способ обустройства месторождения углеводородов по п. 1, отличающийся тем, что сжиженный природный газ используют дополнительно как топливо для строительной и аварийно-спасательной техники.

4. Способ обустройства месторождения углеводородов по п. 1, отличающийся тем, что сжиженный природный газ используют дополнительно как топливо на коммунально-хозяйственные нужды.