перевод статьи из журнала The American Oil & Gas Reporter, май 2006 года

Авторы: Томас Джентри (THOMAS GENTRY) и Дастин М. Фолкнер (DUSTIN M. FAULKNER)

Рынок нефтяного газа продолжает расти с рекордно высокой скоростью, и улавливание легких фракций углеводородов в связи с этим приобретает новый смысл в нефтяной и газовой промышленности. Десятилетиями улавливание легких фракций использовалось в основном для потоков газа с высокой производительностью, больших резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов, а также в целях защиты окружающей среды.

Однако, на сегодняшний день, нефтяной газ больше не считается второстепенным энергоносителем при добыче нефти. В прошлом десятилетии нефтяной газ фактически управлял буровыми работами, обеспечивая постоянное увеличение потоков дохода для производителей. Такой возможный доход и острая необходимость снабжать экономику необходимой энергией привели к абсолютно новому пониманию улавливания и сжатия легких фракций.

Установки улавливания легких фракций (УЛФ) могут стать весьма прибыльным вложением с минимальным сроком окупаемости, они очень эффективны для увеличения общего дохода. Многие производители оценивают время рентабельности инвестиций; они считают, что большинство установок УЛФ с малой и средней производительностью имеют срок окупаемости менее шести месяцев.

При добыче и переработке сырой нефти, вода и большинство легких фракций удаляются через сепараторы высокого и низкого давления. После этого сырая нефть поступает в один из 600 000 резервуаров-хранилищ для товарной нефти в Соединенных Штатах. Оставшиеся в нефти углеводороды выделяются в виде легких фракций в резервуаре, откуда они сбрасываются в атмосферу через дыхательный клапан, направляются на факел или улавливаются установками УЛФ.

Объем легких фракций газа, которые выделяются из резервуара-хранилища, зависит от многих факторов. Из сырой нефти температурой более 36 градусов выделяется больше углеводорода, чем из более тяжелой сырой нефти температурой менее 36 градусов. В перекачиваемой нефти имеется больше активных легких фракций, чем в нефти, которая находится в резервуарах-хранилищах. Также на объем легких фракций влияют температура окружающей среды и рабочая температура вместе с давлением нефти, поступающей в резервуар.

Установки УЛФ могут улавливать более 95% выделенных углеводородов, которые накапливаются в свободном пространстве резервуаров. Состав газа этих легких фракций может меняться, но обычно основным компонентом является метан, составляющий 40-60% от общего газового потока. Также, поскольку уловленные легкие фракции содержат жидкости, его BTU (единица измерения тепловой энергии в английской системе мер) намного выше, чем BTU природного газа, подаваемого по трубопроводу. Поэтому BTU уловленных легких фракций в 2,5 раза больше, чем просто метан.

Проектирование и подбор установки УЛФ

Проектирование и подбор подходящей установки УЛФ имеют важное значение, хотя многие думают, что это сложнее, чем на самом деле. Подбор компрессора – один из самых важных этапов этого процесса. Большинство компрессоров, применяемых на УЛФ, являются ротационно-пластинчатыми и винтовыми.

Ротационно-пластинчатые компрессоры считаются одними из самых выгодных конструкций на рынке. Применение ротационно-пластинчатого компрессора наиболее эффективно при больших объёмах газа с давлением на нагнетании менее 1,034 МПа. Также применение ротационно-пластинчатого компрессора особенно эффективно при высоких концентрациях сероводорода. Этот тип компрессора также позволяет значительно снизить затраты на последующее техническое обслуживание.

Несмотря на то что винтовой компрессор не такой универсальный, как ротационно-пластинчатый компрессор, он эффективно применяется в установках с большой производительностью и давлением менее 1,723 МПа. Помимо этого, винтовой компрессор очень эффективен для газа с большим содержанием влажности.

Natural Gas STAR Partners – это добровольное сотрудничество между Агентством по охране окружающей среды США и нефтегазовой промышленностью для поиска и применения путей сокращения выбросов метана, эффективных с экономической точки зрения. Согласно сообщениям этой организации, каждый год в США и Аляске из резервуаров для хранения сырой нефти теряется более 26 миллиардов кубических футов. Средняя цена на газ — 9 долларов за Mcf (тысяча кубических футов). Так как BTU уловленных легких фракций в 2 раза больше и взяв среднюю цену на газ 9 долларов за тысячу кубических футов, можно увидеть, что производители США теряют почти 600 миллиардов долларов в год, поскольку они не улавливают легкие фракции.

Этот потерянный поток прибыли может быть решен несколькими способами, включая подачу по трубопроводу в газовые промысловые магистральные трубопроводы нефтяного газа на продажу выше номинальной стоимости в качестве нефтяного газа с высоким BTU или использование в качестве топлива для уменьшения общей стоимости различных работ на площадке. В таблице №1 приводится пример экономического анализа потенциального применения установок УЛФ. Существует пять этапов оценки потенциального применения установок УЛФ и технико-экономических показателей:

• Определение возможного местоположения установки УЛФ;
• Определение объема легких фракций на площадке;
• Расчет стоимости уловленных легких фракций;
• Определение стоимости проекта установки УЛФ;
• Оценка технико-экономических показателей проекта.

Таблица №1

Финансовый анализ потенциального проекта установки УЛФ

Производи-тельность (Msf/день)	Монтаж и капзатраты¹	Эксплуатация и обслуживание (долларов/год)	Стоимость газа²	Время окупаемости	Отдача на инвестиции³
25	27530	5 500	43 500	<8 месяцев	395%
50	35 490	6 250	78 000	<6 месяцев	584%
100	42 770	7 500	156 000	<4 месяцев	972%
200	57 330	8 750	312 000	<3 месяцев	1 543%
500	80 080	12 480	780 000	<2 месяцев	2 737%

1 – стоимость установки плюс расчетная стоимость монтажа. Фактическая стоимость меняется в зависимости от расходов на доставку, подготовку площадки, дополнительного оборудования и т.д.

2 – 95% от общего уловленного газа при 9 долларах за 1000 кубических футов (28,3 кубических метра) × ½ производительности × 365 дней.

3 – рассчитано за пять лет.

Месторождение сланца Баккен

Эксплуатация месторождения компанией Murex Petroleum Corp., расположенной в Хьюстоне, демонстрирует потенциальный поток дохода, производимый установками УЛФ малой и средней производительности. Murex использует технологии улавливания легких фракций и весьма выгодно использует газовый поток, который мгновенно выделяется из резервуаров при разработке пласта Баккен в бассейне Уиллистон в Северной Дакоте.

Установки УЛФ могут улавливать более 95% выбросов, которые накапливаются в резервуарах-хранилищах сырой нефти. Состав газа этих легких фракций меняется, но метан составляет 40-60% от общего газового потока. Также, поскольку уловленные легкие фракции содержат жидкости, его BTU намного выше, чем BTU природного газа, подаваемого по трубопроводу, благодаря этому уловленные легкие фракции более ценные, чем просто метан.

Ствол скважины Баккен состоит из верхнего и нижнего нефтяного сланца, между которыми сдавлен илистый доломит. Этот пласт был испытан для добычи углеводородов различными способами в течение всей истории исследования бассейна Уиллистон. Испытания этого ствола, используемого как «вспомогательная» зона к более глубоким сухим скважинам, были в основном безуспешными по сравнению с высоко дебитовой скважиной, добывающей в целом 40 000 баррелей нефти. В начале 1990х г.г. горизонтальные скважины пробуривали в верхнюю часть сланца. На то время и по тем ценам на нефть, эти скважины были дорогими, а экономические подъемы были небольшими. В настоящее время операторы бурят горизонтальные ответвления в илистую часть, находящуюся под пластовым давлением между верхним и нижним сланцем.

Гидроразрыв пласта в 500 миллионов фунтов песка увеличила дебит скважин. Первоначальные дебиты новых скважин могут быть относительно высокими (300-500 баррелей в день) с резкими гиперболическими спадами. Добытая нефть – светлая малосернистая нефть, с температурой в 42 градуса с отношением газ-нефть 22,65-28,32 кубических метров/баррель.

Газ, растворённый в нефти и вовлеченный в газовый поток, – это очевидный источник дохода, но объем газа, выделяющегося из резервуара обычно остается незамеченным. Анализ нефти Баккен на зависимость: давление-объем-температура – показывает 1,13 кубических метра мгновенно выделяющегося газа на баррель нефти, который высвобождается от давления в сепараторе в 275,79 КПа до атмосферного давления. Скважина с дебитом 300 баррелей в день: в резервуар выделяется 339,8 кубических метров легких фракций в день.

Содержание BTU газового потока из сырой нефти Баккен – 1850 миллионов BTU/1000 кубических футов. Скважина с дебитом 50 000 баррелей нефти в первый год: в резервуаре накапливается 56 633,69 кубических метров легких фракций. Если цена легких фракций, уловленных из этой скважины, равна цене на газ 9 долларов/миллион BTU с фактором BTU равным 1850, то дополнительный доход, реализованный от установки УЛФ, составляет 29600 долларов. Эта сумма окупает компрессорное оборудование и монтаж.

Для той же скважины с расчетной суммарной нефтеотдачей 300 000 баррелей: за период эксплуатации скважины накапливается 339802,16 кубических метров легких фракций. Также при 9 долларах/миллион BTU установка УЛФ дает 180 000 долларов чистого дохода, т.е. отдача на капитал составляет шесть к одному за период эксплуатации скважины.

Дополнительные преимущества

Цель большинства установок УЛФ – вернуть потерянную прибыль. Также есть другие преимущества, которые могут быть реализованы через установку УЛФ. Murex Petroleum владеет дополнительными установками УЛФ, которые улавливают легкие фракции из скважин высокосернистой нефти. Эти легкие фракции имеют высокое содержание сероводорода, который представляют значительную угрозу здоровью и безопасности персонала.

Агентство по охране окружающей среды регулирует такие буровые площадки и в некоторых случаях санкционирует монтаж установки УЛФ. Технико-экономические показатели установок УЛФ не могут быть подтверждены только улавливанием легких фракций в резервуаре. Объем накопленных легких фракций здесь достаточно низкий, поэтому экономическая стоимость легких фракций не окупает монтаж установки УЛФ.

Решение, которое использовалось в попытке получения дополнительной экономической выгоды от компрессора, – привязать головку обсадной колонны к установке УЛФ и тянуть обсадную колонну до атмосферного давления вместе с резервуарами. Это дает 137,9-206,8 КПа

Murex Petroleum Corp. использует технологию улавливания легких фракций при разработке горизонтальных нефтяных скважин Баккен в бассейне Уиллистон для использования богатого газового потока, который мгновенно выделяется из резервуаров недавно построенных нефтяных скважин Баккен. Компания владеет дополнительными установками УЛФ, которые улавливают легкие фракции из скважин высокосернистой нефти с высоким содержанием H2S.