Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА 1. Проблемы защиты окружающей среды при строительстве
и эксплуатации скважин в северных условиях (на примере
Республики Коми) 14
1.1. Проблемы оптимизации природопользования при освоении
природных ресурсов Севера Европейской части России 17
1.1.1. Устойчивость многолетнемерзлых пород к техногенным
воздействиям при строительстве и эксплуатации скважин 20
1.1.2 .Классификация геокриологических условий
нефтегазодобывающих районов России 27
1.1.3. Конструкция скважин для добычи аномальных нефтей с
применением тепловых методов на месторождениях
Европейского Севера 31
1.1.4. Опыт применения теплоизолированных насосно-
компрессорных труб 36
1.1.5. Технология бурения в многолетнемерзлых породах 42
1.2. Воздействие объектов газовой отрасли на криолитозону на
месторождениях Европейского Севера 47
1.2.1. Воздействие объектов добычи и транспорта газа на
многолетнемерзлые породы 48
1.2.2. Нарушения граничных условий на поверхности
многолетнемерзлых 49
1.2.3. Изменения геокриологической обстановки в массиве
многолетнемерзлых 55
1.3. Анализ опыта строительства и эксплуатации скважин в
многолетнемерзлых породах 58
1.3.1. Методы обеспечения надежности эксплуатации скважин в
мерзлых породах 66
Выводы 79
ГЛАВА 2. Современное состояние защиты технологического оборудования от гидратообразования на газодобывающих
промыслах Крайнего Севера 81
2.1. Характеристика процесса и методы борьбы с гидратообразованием в
стволе скважин 81
2.1.1. Условия образования, состав и свойства гидратов 81
Основные факторы, влияющие на образование гидратов в стволах скважин 88
Современные методы борьбы с образованием гидратов в стволе скважин 95
2.1.4. Ингибиторы, применяемые для борьбы с
гидратообразованием 96
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования процесса окисления
метана кислородом воздуха 109
Задачи экспериментальных исследований 109
Описание экспериментальной установки ПО
3.2.1 Схема экспериментальной установки и порядок проведения
опытов ПО
Оценка погрешностей определения выходных параметров, характеризующих работу реактора 115
Обработка экспериментальных данных 116
3.3. Результаты экспериментальных исследований 118
Определение состава реакционного газа и метанольного конденсата 118
Влияние расхода газовой смеси на выходные параметры реактора 122
Влияние концентрации кислорода в газовой смеси на выходные параметры реактора 124
Влияние температуры стенки реактора на выходные параметры реактора 127
Влияние давления в реакторе на выходные параметры реактора 128
Влияние концентрации метана в исходной газовой смеси на выходные параметры реактора 131
3.3.7.0пределение регрессионной зависимости для коэффициента
Al=f(02;P) 132
3.4. Эколого-экономическая оценка результатов применения метода
прямого окисления для получения метанола в местах
газодобывающих промыслов севера 142
3.4.1. Цель и задачи эколого-экономической оценки 142
3.5. Выбор критериев экономической эффективности технологического
процесса 143
3.5.1. Технологическая схема получения метанола методом прямого
окисления метана кислородом воздуха 143
3.5.2 Критерии экономической эффективности 146
3.6. Теоретическая модель расчёта критериев эффективности 147
Расчёт величины годовой экономии средств 147
Расчёт технологической себестоимости метанола 148
Расчет дополнительных капитальных затрат 151
3.7. Оценка результатов расчета критериев экономической
эффективности 155
3.8. Оценка экономической эффективности производства метанола в
местах его потребления 165
Выводы 169
ГЛАВА 4. Разработка технологии снижения воздействия пластовых
вод на окружающую среду при эксплуатации скважин 171
Состав пластовых вод 171
Критерии загрязнения окружающей среды 173
Воздействие нефтесодержащих пластовых вод на природу 181
Технологии снижения экологической опасности пластовых вод 188
Очистка от нефти и нефтепродуктов 188
Удаление реагентов нефтедобычи 194
Комплексная переработка пластовых вод 196
4.5. Эколого-экономическая оценка использования пластовых вод 215
4.5.1. Оценка ущерба окружающей природной среде при разливах
215
пластовых вод
4.5.2. Оценка стоимости товарной продукции 217
4.5.3. Экономический эффект от комплексной переработки
222
пластовых вод
ГЛАВА 5. Применение парогенераторной установки ЦППС 5/18 при
паротепловом воздействии на пласт месторождения Ярега 223
Современное состояние промтеплоэнергетических систем и источников теплоснабжения на объектах нефтедобывающей промышленности 223
Состояние технической оснащенности теплоэнергетическим оборудованием месторождений разрабатываемых термическими методами. Краткий обзор теплогенерирующих установок применяемых на месторождениях тяжелых нефтей 227
5.3 Комплексные экспериментальные исследования камер сгорания
цилиндрических прямоточных парогенераторов 243
5.3.1. Схема и конструкция элементов оборудования
экспериментального натурного стенда 243
5.3.2. Методика проведения аэродинамических исследований
работы камеры сгорания ЦППС 251
Методика обработки опытных данных и полученных результатов 255
Экспериментальные исследования тепловых характеристик камеры сгорания парогенератора типа ЦППС 266
5.4 Разработка инженерного метода расчета парогенератора ЦППС-5/18.. 274
Особенности теплового расчета парогенератора ЦППС-5/18 ... 274
Расчет лучистой составляющей теплового потока 279
Расчет конвективной составляющей теплового потока 281
5.4.4 Математическая программа теплового расчета
парогенераторов типа ЦППС-5/18, «ПАРОГЕНЕРАТОР» 284
5.4.5 Результаты расчета программы ПАРОГЕНЕРАТОР 286
5.4.6 Оценка вклада лучистой составляющей в суммарный
тепловой поток камеры сгорания ЦППС -5/18 291
5.5 Экологический анализ аспектов промышленного применения
мобильной парогенераторной установки ЦППС-5/18 для
паротеплового воздействия на пласт месторождения Ярега 297
5.5.1 Оценка технологических и конструктивных решений, повышающих экологический уровень цилиндрического
прямоточного парогенератора ЦППС-5/18 297
5.5.2. Пример оценки экологической эффективности применения парогенераторов ЦППС-5/18 для паротеплового воздействия
на пласт месторождения Ярега 308
ГЛАВА 6. Анализ состояния и перспективы развития термошахтной
разработки месторождения тяжелой нефти 313
6.1. Режим закачки теплоносителя в пласт и отбора жидкости из пласта... 313
6.1.1 Механизм нефтеотдачи пласта Ярегского месторождения при
термошахтной разработке 321
6.1.2 Технико-экономические показатели термошахтной
нефтедобычи и обоснование цели работы 326
7 6.2.Развитие методик по определению потерь тепла в нагнетательных
скважинах при закачке в пласт теплоносителей 329
6.2.1. Анализ методик по определению потерь тепла в нагнетательных скважинах при закачке в пласт теплоносителей 329
Теплопотери в стволе скважины при нагнетании горячей воды 331
Тепловые потери при движении пара в стволе скважины 340
Теплопотери в стволе скважины при нагнетании перегретого пара 349
Результаты расчета потерь тепла при нагнетании теплоносителей на примере Ярегского месторождения 351
Научное обоснование и разработка теплоизолированных труб и конструкций паронагнетательных скважин 357
Анализ существующих способов термозащиты и конструкций теплоизолирующих экранов 357
Конструкция и оборудование первоочередных скважин для закачки пара в пласт 368
Термоизолированная колонна с коаксиально расположенными колоннами наружных и внутренних труб, перемещаемых свободно и независимо относительно друг от друга 370
6.4.4 Определение изменения длины внутренней трубы
термоизолированной колонны от температуры 382
6.4.5 Создание лабораторного стенда для испытания конструкций
термоизолированных труб 384
6.4.6 Результаты применения самокомпенсирующих
теплоизолированных насосно-компрессорных труб (ТНКТ) 399
Выводы 403
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 405
Библиографический список 407
Приложения 429
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время наращивание добычи природных и нефтяных газов, являющихся ценным сырьём для химической промышленности и важнейшим источником энергетических ресурсов, прежде всего, происходит за счёт ввода в разработку новых месторождений, расположенных в районах Крайнего Севера и Западной Сибири.
Среди техногенных факторов, оказывающих воздействие на окружающую среду, добыча углеводородного сырья относится к наиболее землеемким и агрессивным отраслям. Уже сейчас отдельные нефтедобывающие территории по состоянию окружающей среды приближаются к районам экологического бедствия. Особенно велика опасность экологических катастроф при эксплуатации трубопроводов большого диаметра в экстремальных северных ландшафтах России, что подтверждается экологической катастрофой в районе г.Усинска, где в результате серии аварийных выбросов в окружающую среду вылились тысячи тонн нефти.
Природная среда и технические сооружения нефтепромыслов выступают в качестве подсистем единой геотехнической системы, и неучет этого обстоятельства служит причиной критических ситуаций. Проблемы агрессии среды относительно технических объектов и мероприятия по их защите теснейшим образом смыкаются с вопросами охраны среды от загрязнений. При этом важнейшей задачей является изучение уровней и форм геохимических нагрузок на природные комплексы. Не зная уровней содержания загрязнителей в природных средах (почвах, фунтах, водах, биоте), их состава, особенностей пространственного распределения, характера взаимодействия с природными системами, а также устойчивости и способности разных природных объектов к самоочищению, нельзя разработать комплекс мероприятий по оптимизации
природопользования в нефтедобывающих районах, включая рекультивацию загрязненных земель.
Необходимость уменьшения риска разрушения природной среды и минимизации отрицательных следствий нефтедобывающего производства определяет актуальность получения территориально дифференцированной информации об эколого-геохимических последствиях добычи нефти и газа, включая определение количественных и качественных закономерностей распределения загрязнителей по площади ореола загрязнения (определение их геохимической структуры), вероятность и интенсивность посттехногенного расширения общего объема загрязненного почвенного пространства.
Цель работы. Разработка эколого-экономической модели комплексной переработки пластовых вод нефтяных месторождений, математического моделирования и расчетов тепло-массообменных процессов при закачке теплоносителя в теплоизолированные трубы, технологической схемы и экономической модели процесса утилизации сбросных газов с использованием метода прямого окисления метана для получения метанолсодержащего растворителя для борьбы с гидратообразованием в стволе скважины, анализ научно-практических основ снижения тепловых и токсичных выбросов в процессе нефтедобычи и нефтепереработки в условиях Крайнего Севера.
Обоснование целесообразности применения малотоннажного производства метанола путем прямого окисления метана кислородом воздуха на нефтегазодобывающих промыслах Крайнего Севера. Разработка научно-практических основ снижения тепловых и токсичных выбросов в процессе нефтедобычи в условиях Крайнего Севера.
Научная новизна. Впервые проведен комплексный анализ воздействия объектов нефтегазодобывающего комплекса Европейского Севера России -Усинского, Ярегского, Харьягинского месторождений на природную среду северных регионов, а также анализ реакций природной среды на эти воздействия.
10 Научно обоснована и экспериментально подтверждена технологическая и экономическая целесообразность использования метода прямого окисления метана для получения метанола в местах расположения нефтегазодобывающих промыслов Крайнего Севера. Теоретически обоснован и предложен метод борьбы с гидратообразованием в стволе скважины.
Создана математическая модель тепломассообмена парогенератора ЦППС и программа инженерного расчета камеры сгорания ЦППС на ЭВМ.
Научно обоснована и разработана на уровне патентов конструкция термоизолированной колонны с коаксиально расположенными наружными и внутренними трубами, перемещаемыми свободно и независимо друг от друга. Продолжено развитие методик по определению потерь тепла в скважинах при закачке в пласт теплоносителей в условиях Крайнего Севера.
Положения, выносимые на защиту
Анализ воздействия объектов нефтегазовой отрасли на криолитозону в районах Европейского Севера;
Аналитические зависимости для прогнозирования уровня загрязнения окружающей среды нефтегазодобывающими предприятиями;
Прогнозирование глубины зоны возможного образования гидратов как в простаивающей, так и в работающей скважине;
Обоснована технология получения метанола из метана методом прямого окисления кислородом воздуха;
Методология оценки снижения воздействия пластовых вод нефтяных месторождений Крайнего Севера на окружающую среду;
Проведен анализ и разработана методика определения теплопотерь на примере Ярегского месторождения в зависимости от заполнения затрубного пространства теплоподающих труб газом, водой, нефтью и базальтовым волокном;
7. Исследование установившихся зависимостей рабочих параметров и процессов в камерах сгорания Ці 111С, оценка их теплотехнических, конструктивных показателей и экологической эффективности.
Практическая ценность и реализация результатов исследований
Разработана и внедрена конструкция скважины для добычи аномальных нефтей с применением тепловых методов на месторождениях Европейского Севера.
Разработаны организационно-технические и конструктивные мероприятия по снижению воздействия пластовых вод нефтяных месторождений на окружающую среду.
Разработана технология определения начала гидратообразования газа определенного состава в стволе скважины в условиях Севера.
Предложена технология получения метанола из метана методом прямого окисления кислородом воздуха и разработана автономная, малотоннажная установка.
Апробированы и внедрены математические модели оценки уровня загрязнения окружающей среды хлоридами, сульфатами и карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов.
Предложена конструкция и методика расчета теплоизолированных колонн с коаксиально расположенными наружными и внутренними трубами, перемещаемыми свободно и независимо друг от друга. Установлена работоспособность колонны при разности температур на внутренней и наружной трубе, равной 250С с перемещением нижнего торца внутренней трубы до 5,8 м.
Создан натурный экспериментальный стенд, позволяющий выполнять
весь комплекс аэродинамических и тепловых исследований камер сгорания
цилиндрических прямоточных парогенераторов. Полученные
12 экспериментальные данные можно использовать для дальнейших проектных
разработок.
Предложена конструкция горелки и методика расчета ее параметров с аксиально-тангенциальным завихрителем. Конструкция горелки отличается простотой изготовления и экономичностью.
Представленные в диссертации результаты использованы в создании технических и рабочих проектов опытно-промышленного мобильного парогенератора в ДСП 11111 «Ухта-Нефть» и приняты к реализации в ОАО «ЯНТК» Республики Коми.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований настоящей работы используются в учебном процессе УГТУ.
Методы исследований. Поставленные цель и задачи исследований решались с использованием детального анализа и обобщения существующего опыта, технологии и исследований по нефтегазодобыче в условиях Крайнего Севера.
Апробация результатов исследований. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по диссертационной работе обсуждались ежегодно на научных конференциях и семинарах УГТУ с 1994 по 2005гг., на международных конференциях: «Север и экология - 21 век: экологическое образование и воспитание» 1999-2001г. г. Москва, РГУНГ; «Освоение ресурсов трудно извлекаемых и высоковязких нефтей», 2001 г., г. Анапа; «Проблемы строительного комплекса России», 2004 г., Уфа; «Международная научно-практическая конференция «Передовые технологии на пороге XXI века». -Москва: 1998; «Современные технологии проектирование и энергосбережения в условиях Крайнего Севера» 2000-2001г. г. Ухта, УГТУ; «Проблемы строительства инженерного обеспечения и экологии городов» 2002-2003 г. Пенза. Диссертация и ее разделы неоднократно обсуждались на научно-технических советах (НТС) ОАО (ПО) «Коминефть», ОАО «Битран» 1985-2003г., на Всероссийской конференции «Техноэкогеофизика» (г. Ухта, октябрь
г.), «Нефть и газ Европейского северо-востока России» (г. Ухта, апрель
г.), на НТС 11111 «Лукойл-Ухтанефтегаз» (г. Ухта, Печорнипинефть, май 2003 г.), «Природоресурсный потенциал России» (г. Пенза, 2004г.), XXIY Российской школе по проблемам науки и технологий (г. Миасс, 2004г.), «Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе» (г. Москва, 2005 г.), «Проблемы строительного комплекса России», (2005 г., Уфа).
Публикации по результатам исследований. По теме диссертации опубликованы 2 монографии, более 145 работ в научно-технических журналах, трудах конференций и совещаний, получено 1 авторское свидетельство и 5 патентов, 5 учебно-методических пособий с грифом УМО.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 450 страницах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав, библиографического списка литературы наименований, содержит 108 рисунков, 71 таблицу и приложение.
Похожие диссертации на Разработка экологически безопасных технологий при сооружении и эксплуатации скважин в условиях Европейского Севера
