Модернизация процесса абсорбционной осушки газа на газоконденсатных месторождениях

Одной из важнейших научно-технических и производственных проблем в области подготовки природного газа и газоконденсата к дальнему транспорту, в соответствии с отраслевыми стандартами, является оптимизация процессов промысловой переработки продукции скважин на весь период разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений.

Экстремальные условия добычи углеводородов и, соответственно, работы установок комплексной подготовки газа заставляют использовать все более разносторонний подход к изучению явлений и процессов, происходящик как в пласте, так и подготовке газа.

Как показала практика, существует несколько крупных проблем на установках комплексной подготовки газа (УКПГ), осуществляющих осушку газа путем абсорбционно-десорбционного процесса в многофункциональных аппаратах (МФА).

Существуют такие проблемы, как падение давления газа на входе в УКПГ из-за снижения пластового давления, появление на некоторых установках масла на входе в УКПГ из-за ввода дожимных компрессорных станций, низкий КПД работы некоторых секций многофункциональных аппаратов, унос гликоля из МФА, вынос пластовой жидкости из сепарационной секции МФА в массообменную.

Для решения существующих проблем были поставлены следующие задачи: выявить основные факторы и зависимости, влияющие на эффективность работы МФА по осушке газа, разработать компьютерную программу для оптимизации процесса осушки газа в.

МФА и расчета конструкции и гидравлических потерь в аппарате, предложить возможные варианты модернизации.

В процессе выполнения диссертационной работы исследованы параметры процесса осушки газа, поведение газожидкостного потока в теле аппарата в условиях изменения термобарических условий и состава флюида, разработана программа, позволяющая проводить расчет конструкции элементов и узлов аппарата и гидравлический расчет, оптимизирована работа нижней сепарационной секции МФА и сепарационного элемента, а также предложена модернизация процесса осушки газа в МФА.

Реализация предложенных диссертантом рекомендаций может обеспечить значительное улучшение показателей работы систем абсорбционной осушки газа и снизить возможные затраты, связанные с эксплуатацией установок подготовки газа.

Актуальность темы

и постановка задачи:

Мировое потребление природного газа растёт более высокими темпами по сравнению с другими видами энергоресурсов.

Разработка крупнейших газоконденсатных месторождений, таких как Уренгойское, Медвежье, Ямбургское, Заполярное, Юбилейное обусловила развитие и внедрение новых технологических и конструктивных решений в области добычи, сбора, подготовки, транспорта и хранения газа.

Одной из основных стадий в последовательной цепочке разработки и эксплуатации месторождений, является подготовка газа к промысловому и дальнему транспорту на установках комплексной подготовки газа (УКПГ).

Главной функцией УКПГ, является обработка газа до определенного ГОСТом качества, соответствующего условиям транспортировки по магистральным газопроводам. Исследование и решение вопросов, связанных с подготовкой газа в течение всего периода эксплуатации месторождений, является одной из важнейших задач. Проблемы, возникающие в этот период вызваны падением давления, изменением температуры и состава продукции скважин.

Одним из основных решений в данном направлении является разработка высокопроизводительных установок подготовки газа, а также объединение нескольких технологических процессов в одном многофункциональном аппарате.

На газовых и газоконденсатных месторождениях широко применяется процесс абсорбционной осушки газа.

Задача поставленная в данной исследовательской работе, состоит в выявлении проблем возникающих при подготовке газа к транспорту, создание адекватной математической модели и компьютерной программы, позволяющей вести расчет процесса абсорбции при изменении термобарических параметров газа непосредственно на газовом промысле.

В диссертационной работе рассматриваются теоретические основы процесса абсорбции, применение в промышленности абсорбционного метода осушки газа, а также методика работы с новой разработанной программой МПА (Моделирование Процесса Абсорбции). Программа позволяет вести расчет и моделирование процесса абсорбции, расчет гидравлических сопротивлений, геометрических размеров аппарата. В работе представленны результаты впервые проведённого моделирования действующих узлов и элементов аппарата с визуализаций динамического изменения параметров, что позволяет оптимизировать работу абсорбционно-сепарационного аппарата.

В работе предложен вариант возможной модернизации сепарационной секции многофункционального аппарата осушки газа.

Цель диссертационной работы заключается:

1. в модернизации и оптимизации процесса осушки газа в абсорбционно-сепарационном аппарате на УКПГ в период снижения пластового давления;

2. в создании модели и методике выбора технологически оптимальной конструкции элементов абсорбционно-сепарационного аппарата осушки газа в условиях изменения термобарических параметров газа;

3. в разработке рекомендаций по технологическому усовершенствованию абсорбционно-сепарационного аппарата осушки газа.

Основные задачи, поставленные в диссертационной работе.

1. разработать алгоритм расчета абсорбционно-сепарационного аппарата и основных технологических параметров осушки газа в период падающей добычи;

2. дать анализ технологии очистки газожидкостных смесей.

3. провести анализ поведения газожидкостного потока в сепарационной секции и сепарационном элементе в зависимости от состава и термобарических условий входящего газа.

4. создать методику расчета процесса абсорбционной осушки газа в многофункциональном аппарате, эксплуатируемом в составе УКПГ.

Научная новизна.

1. Усовершенствованна математическая модель расчета абсорбционно-сепарационного аппарата осушки газа.

2. Разработана компьютерная программа «Моделирование Процесса Абсорбции» (МПА), учитывающая изменение параметров входящего потока и, позволяющая оптимизировать процесс абсорбционной осушки газа и рассчитывать конструкцию элементов многофункционального аппарата с учетом изменения параметров газа в процессе разработки месторождения.

3. Впервые с использованием программы Fluent и применением моделируемой конструкции, рассчитанной в программе МПА, показано движение газожидкостного потока (добываемого флюида) в сепарационной секции аппарата и в сепарационном массообменном элементе. Показано динамическое распределение фаз, что позволяет моделировать более эффективные конструкции и технологию процесса с учетом состава и гидродинамики потока.

4. Выполнено моделирование предложенной модернизации сепарационной секции аппарата осушки газа.

Основные защищаемые положения:

1. Математическая модель модернизации абсорбционно-сепарационного аппарата, позволяющая проводить расчет геометрических размеров и гидравлических потерь.

2. Обоснование результатов моделирования поведения газожидкостной смеси в сепарационной секции и сепарационном элементе.

3. Предложения по модернизации многофункционального аппарата, состоящие в использовании дополнительных завихрителей потока на входе в аппарат.

Практическая значимость работы:

Разработана компьютерная программа, основанная на математической моделе расчета абсорбционно-сепарационного аппарата осушки газа.

Разработанная программа «МПА» позволяет проводить расчет технологического режима, гидравлических сопротивлений и конструкции абсорбционно-сепарационного аппарата и его элементов в период изменения термобарических условий сбора и подготовки газа на промыслах с целью оптимизации процесса.

Получены новые визуализированные данные моделирования движения газожидкостного потока в сепарационном элементе и сепарационной секции, состоящие в определении структуры и гидродинамики газожидкостного потока в зависимоси от его состава, которые могут быть использованы для оптимизации процесса абсорбционно-сепарационной осушки газа.

Предложены рекомендации по модернизации существующих абсорбционно-сепарационных аппаратов осушки газа. В их число входит изменение структуры и состава входящего в аппарат потока газа, усовершенствование входной сепарационной секции, путем установки дополнительных завихрителей.

Апробация работы.

Основные результаты исследований докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. На научно-технических семинарах кафедры Разработки и Эксплуатации Газовых и Газо-Конденсатных Месторождений РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина. 2004, 2005 г.

2. На презентации программы Fluent в России. 2006 г.

3. Апробация разработанной программы «МПА» проведена в научно-техническом центре ОАО «Надымгазпром». 2006 г.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа изложена на 200 страницах машинописного текста, включая 105 рисунков и 9 таблиц.

2.5. Выводы.

В период падающей добычи, по истечении долгого периода разработки разрушается призабойная зона скважины, что вызывает увеличение содержания механических примесей в газе. Также падение давления способствует увеличению влагосодержания газа. Эти две основные проблемы вызывают неустойчивую работу абсорбционно-сепарационного аппарата (МФА).

Жидкость и механические примеси попадают в сепарационную секцию, и далее газ, очищаясь от механических примесей и, проходя через сепарационные элементы, идёт в массообменную секцию. На промежутке «вход газа"-«верхняя массообменная тарелка» возникает ряд серьезных проблем в работе аппарата.

Модернизация промыслового оборудования в настоящее время, в основном, направлена на оптимизацию массообменной секции. В массообменных секциях производят замену массообменных тарелок на массообменные насадки, чем увеличивают производительность секции и степень осушки за счет изменения гидравлического режима работы насадки и увеличения поверхности контакта.

В то же самое время, одной из важных проблем является поведение газожидкостного потока в сепарационной секции и сепарационных элементах, расположенных после неё.

В диссертационной работе изучены зависимости, влияющие на производительность и степень осушки газа. Составлена математическая модель и компьютерная программа, позволяющая путем варьирования параметрами подбирать оптимальные зависимости для устойчивой работы аппарата путем изменения конструктивных данных узлов и элементов либо физических параметров. Программа осуществляет расчет в стационарных условиях, и поэтому не учитывает изменение параметров в динамике.

Для более точного исследования поставлена задача смоделировать работу отдельных элементов, для чего была выбрана газогидромоделирующая программа Fluent. Дальнейшее изучение проблем будет разобрано далее в диссертационной работе.

3. РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ АБСОРБЦИИ И СЕПАРАЦИИ В АБСОРБЦИОННО-СЕПАРАЦИОННОЙ КОЛОННЕ.

Для своевременного и точного регулирования параметров работы абсорбционно-сепарационного аппарата необходимо создать модель, описывающую данный процесс.

В настоящем разделе представлены материалы математического расчета процессов абсорбции и сепарации при промысловой переработке сырого природного газа с целью оптимизации данных процессов.

Расчет представляет собой последовательность действий для решения задач по оптимальной эксплуатации абсорбционно-сепарационного аппарата в промышленных условиях, а также для расчета его геометрических размеров, гидравлических сопротивлений, параметров работы системы осушки газа.

Для проведения расчета за основу взяты данные ГП-1, Ямбургского ГКМ, которые представлены в таблице 3.1.

При расчетах приняты следующие обозначения: Р-давление смеси, МПаt- температура смеси, °Су г молярная доля i-ro компонентаi- индекс компонентаz- коэффициент сжимаемости смеси- /^-плотность смеси, кг/м3;

— динамический коэффициент вязкости, мПа*сМ- средняя молекулярная масса смеси, кг/кмоль.

Данные для расчёта.