Сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ


Н. И. Илькевич









            СООРУЖЕНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГАЗОНЕФТЕПРОВОДОВ И ГАЗОНЕФТЕХРАНИЛИЩ


Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 622.691/.692
ББК 39.76/.77
     И47

Рецензенты:
заместитель директора ИСЭМ СО РАН доктор технических наук, старший научный сотрудник С. М. Сендеров;
заместитель директора ИЦ «Энергоэффективность» ИрГТУ кандидат технических наук, доцент В. В. Хан





     Илькевич, Н. И.
И47 Сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехрани-лищ : учебное пособие / Н. И. Илькевич. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021 - 124 с.
           ISBN 978-5-9729-0539-3

     Изложены основные сведения о магистральных трубопроводах и технологии перекачки газа и нефти. Приведены методы и модели оптимального развития и функционирования трубопроводного транспорта с учетом надежности работы оборудования. Рассмотрены вопросы подземного и наземного хранения газообразных и жидких углеводородов.
     Для студентов нефтегазовых специальностей. Может быть полезно специалистам нефтяной и газовой промышленности.
УДК 622.691/.692
ББК 39.76/.77




ISBN 978-5-9729-0539-3

     © Н. И. Илькевич, 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ


     Введение......................................................4
     1.  Основы технологии добычи углеводородов....................7
      1.1. Основные сведения о разведке и добыче углеводородов.....7
      1.2. Месторождения углеводородов и режимы их разработки.....15
      1.3. Классификация запасов углеводородов....................19
     2.       Основные сведения о магистральных трубопроводах и технологии перекачки газа и нефти...............................23
      2.1. Основные сведения о магистральных газонефтепроводах....23
      2.2. Основы перекачки газа и нефти по трубопроводам.........38
      2.3. Особенности развития и функционирования систем
магистральных газо- и нефтепроводов в рамках топливно-энергетического комплекса страны.........................50
      2.4.       Состав работ, выполняемых при сооружении магистральных трубопроводов.......................................53
      2.5.       Особенности сооружения переходов магистральных трубопроводов через преграды......................................58
      2.6. Сооружение компрессорных и насосных станций............59
     3.  Хранилища газообразных и жидких углеводородов............61
      3.1.       Подземные хранилища в пористых и проницаемых горных породах, а также в отложениях каменной соли................61
      3.2.      Наземные хранилища газообразных углеводородов.....69
      3.3.      Подземные хранилища жидких углеводородов..........75
      3.4.      Наземные хранилища жидких углеводородов...........80
      3.5.       Подземные хранилища газообразных и жидких углеводородов в энергетическом комплексе страны...................86
     4.       Основы проектирования и эксплуатации трубопроводов и хранилищ........................................................90
      4.1. Проектирование магистральных трубопроводов.............90
      4.2. Проектирование нефтебаз................................92
      4.3. Эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ.....94
     5.       Методы и модели оптимального развития и функционирования трубопроводного транспорта газа и нефти.....................................................100
      5.1.       Математическое моделирование трубопроводного транспорта газа и нефти..........................................100
      5.2.      Анализ надежности магистральных трубопроводов....109
     Литература..................................................121

3

        Введение


      Роль углеводородов в мировом топливно-энергетическом балансе возрастает. Общее мировое потребление газа, нефти и их продуктов растет высокими темпами. Наиболее масштабными и развитыми системами снабжения углеводородов обладают Северная Америка (США), Западная Европа, Россия и страны СНГ, а также страны Северо-Восточной Азии.
      Развитие нефтегазовой промышленности в РФ происходило по восходящей линии от простых, самостоятельных систем (газовое, нефтяное, нефтегазовое, нефтегазоконденсатное месторождение; трубопроводная система; потребители) до весьма сложных, пространственно распределенных газо- и нефтеснабжающих систем.
      В топливно-энергетическом комплексе России суммарная доля газа, нефти и их продуктов составляет около 80 %. Основные потребители газонефтепро-дуктов в РФ отделены большими расстояниями от мест их добычи, которые расположенных в районах Сибири, Крайнего Севера и на шельфах арктических морей. Трудно даже представить, каким видом транспорта, кроме трубопроводного, можно ежегодно по континентальной части России перемещать многие миллиарды кубических метров природного газа и миллионы тонн нефти и их продуктов. Если нефть еще можно транспортировать в цистернах по железной дороге, то для транспортировки сжиженного метана таких средств еще не изобретено . Доставка нефти и нефтепродуктов по железной дороге обходится дороже, чем по нефтепроводам. При транспортировке углеводородов трубопроводным транспортом их потери минимальны благодаря высокой степени герметизации трубопроводов и их оборудования. Трубопроводы можно сооружать различными диаметрами (максимальный диаметр газопроводов составляет 1420 мм), что позволяет передавать огромные запасы энергоресурсов на большие расстояния. Сварка стыков труб в значительной степени автоматизирована, а также полностью механизированы земляные и изоляционно-укладочные работы.



* За исключением средств морского транспорта.


4

     Устойчивое и надежное функционирование топливно-энергетического комплекса РФ не возможно без согласованной работы трубопроводного транспорта, промыслов, и создания необходимых резервов углеводородов в хранилищах. В условиях рыночной экономики роль газонефтехранилищ существенно возрастает.
     С учетом сказанного в учебном пособии рассмотрены следующие пять глав. Основы технологии добычи углеводородов; основные сведения о магистральных трубопроводах, перекачивающих природный газ и нефтепродукты; хранилища газообразных и жидких углеводородов; основы проектирования и эксплуатации трубопроводов и хранилищ, а также некоторые методы и модели оптимального развития и функционирования трубопроводного транспорта газа и нефти.
     В первой главе представлены основные сведения о разведке и добыче углеводородов, о режимах разработки месторождений газа и нефти дана классификация их запасов. При написании этой главы использовались работы следующих авторов [7, 8, 13].
     Во второй главе изложены основные сведения о магистральных газо-нефтепроводах, основы перекачки газа и нефти по трубопроводам, особенности развития и функционирования систем магистральных газо- и нефтепроводов в рамках ТЭК страны, показан состав работ и особенности переходов через преграды выполняемых при сооружении трубопроводов. При изложении данного материала были использованы следующие труды [2-6, 9-12].
     В третьей главе рассмотрены подземные и наземные хранилища газообразных и жидких углеводородов и их роль в энергетическом комплексе страны. При написании этой части работы были использованы следующие материалы [17-20].
     В четверной главе описаны основы проектирования магистральных трубопроводов, нефтяных баз и показаны основные требования, предъявляемые к эксплуатации газонефтепроводов и газонефтехранилищ. При работе над этой частью были использованы труды [4-6, 9, 10].

5

      В пятой главе показаны методы и модели математического моделирования трубопроводного транспорта газа и нефти, рассмотрены свойства, состояния, события и средства характеризующие надежность объектов газоснабжения, а также модели анализа и синтеза надежности магистральных трубопроводов. Были использованы следующие труды [12, 14-16].
      При изложении материала § 2.4 - 2.6 и главы 4 были использованы рукописные материалы доцента кафедры теплогазоснабжения, вентиляции охраны воздушного бассейна, к. т. н. И. И. Айзенберга. Автор выносит ему искреннюю благодарность, а также благодарность Ж. В. Калининой и О. В. Поляковой, которые оказали большую помощь при подготовке рукописи к печати.

6

        1. Основы технологии добычи углеводородов


    1.1. Основные сведения оразведке и добычеуглеводородов

    Газ и нефть человеку известны с древних времен. Выделявшийся из земли через разломы и трещины в недрах земли природный газ загорался от молнии и мог гореть многие годы. Это явление из истории известно как «вечные огни». В Китае газ подавался по бамбуковым трубам к культовым сооружениям и использовался для отопления и освещения. Нефть в древние времена в основном применялась в качестве топлива, осветительного материала, в лечебных целях, как связующее вещество при строительстве и как зажигательное средство в военном деле.
    В условиях современного развития промышленности, транспорта, энергетики и других отраслей народного хозяйства роль углеводородов исключительно важна. Природный газ, как и нефть, являются важнейшими сырьевыми ресурсами для получения химических продуктов и дешевых видов энергии.
    Элементный состав природных газов и нефти состоит из углерода (С), водорода (Н), кислорода (О), серы (S), и азота (N). Углеводородные соединения образуют метановые, нафтеновые и ароматические ряды.
    Метан (СН₄) является основной составляющей природного газа. Наряду с метаном в природном газе присутствуют тяжелые углеводороды, окись углерода, сероводород, углекислый газ, водород и азот. В небольших количествах могут встречаться гелий и аргон.
    Важным качеством природных газов является высокая теплотворная способность (количество теплоты, выделяющееся при сгорании одного кубометра газа). При полном сгорании 1 м³ газа выделяется 8-10 тыс. ккал.
    В недрах земли газ находится в газоносном или нефтяном пласте. Природный газ скапливается в наиболее приподнятой части пласта и подпирается нефтью или водой. Нефть содержит некоторое количество растворенного газа. При повышенных давлениях в пласте, часть газа превращается в жидкость. С дальнейшим повышением давления образовавшаяся жидкость может перей

7

ти в парообразное состояние. Такие месторождения называют газоконденсатными.
    Пористые породы, в которых вмещается газ и нефть, называют коллекторами. Они должны обладать пористостью, трещиноватостью и проницаемостью, то есть должны хорошо пропускать через себя нефть и газы. Например, в параллелипипеде размером 10 м х 10 м х 1 м содержится 1 м³ жидкости. Коллекторы, являющиеся вместилищем нефти и газа, должны быть окружены в виде покрышки (купола) непроницаемой породой (глиной, солью, гипсом и т. д.). Такие вместилища образуют резервуары - залежи газа и нефти.
    Можно выделить три основные группы залежей углеводородов: пластовые, массивные и литологически ограниченные. Пластовые залежи представляют собой пласты-коллекторы окруженные, например, пластами глины. Очень мощные коллекторы (до сотен метров толщиной) называют массивными. Коллекторы неправильной формы в виде линз, ограниченные со всех сторон малопроницаемыми породами получили название литологически ограниченных.
    Для того чтобы образовалась залежь углеводородов необходимо наличие ряда физико-химических и геологических факторов.
    В настоящее время существует органическая и неорганическая гипотезы происхождения углеводородов.
    Органическая гипотеза происхождения углеводородов состоит в следующем. Отложения органических веществ (останки растений и животных) накапливались в разнообразных физико-химических средах земли в течение различных геологических эпох. При отсутствии кислорода соответствующем давлении и температуре (из-за прогибания определенных участков земной коры и накопления мощных осадочных пород) образовывались нефть и природные газы.
    Часть углеводородов по трещинам и порам улетучивалась в атмосферу, а часть накапливалась в коллекторах.
    Неорганическая гипотеза происхождения углеводородов исходит из того, что газ и нефть образуются в недрах Земли в результате взаимодействия воды и карбидов (также при соответствующем давлении и температуре).

8

    В лабораторных условиях подтверждаются и органическая и неорганическая гипотезы. На сегодняшний день проблема происхождения углеводородов не решена.
    Поиски газа и нефти осуществляются на научной основе. Используются знания таких отраслей геологической науки, как стратиграфия, палеонтология, петрография, палеография, структурная геология, геофизика, геоморфология и др. Исследования недр осуществляются с помощью геологоструктурного картирования, бурения скважин и методов геофизики.
    Система ведения поисковых геологоразведочных работ состоит из двух крупных этапов: региональных исследований основных закономерностей геологического строения и перспектив нефтегазоносности больших территорий; детальных исследований с целью выяснения вероятных зон залеганий нефти и газа с последующим обнаружением и оконтуриванием залежей бурением скважин.
    Бурение скважин является сложным технологически процессом. В настоящее время используются роторный и турбинный способы бурения.
    При роторном способе бурения долото (бур) вращается с колонной труб, которые опускаются в скважину (рис. 1.1) для спуска и подъема труб и смены износившегося долота устанавливается буровая вышка. По мере углубления скважин трубы наращиваются. При подъеме долота для замены колонна труб последовательно развинчивается. Затем процесс состыковки колонны труб повторяется. Для вращения колонны труб используется специальный дизель или электромоторы. Выбуренная порода вымывается глинистым раствором, который в процессе бурения непрерывно циркулирует в скважине. Раствор охлаждает долото, укрепляет стенки скважин, создает противодавление нефти и газам.
    Турбинное бурение осуществляется аналогичным образом, как и роторное. Основное отличие состоит в том, что вращается только одно долото с помощью специального двигателя-турбобура, а не вся колонна труб. Этим самым осуществляется экономия энергии на привод буровой установки (не нужно вра






9

щать колонну бурильных труб весом в сотни тонн). Турбобур представляет собой водяную турбину с насаженным на конце вала долотом. Энергоносителем для турбобура является глинистый раствор, который под давлением подается в скважину.







Талевый блок

Буровая вышка

Вертлюг

Лебедка

Двигатель

IIIHIIII

Квадратная труба

Бур - долото

Рис. 1.1. Схема роторного бурения

Гибкий шланг для глинистого раствора

Грязевой насос     Ротор

     Следует отметить, что в настоящее время сконструирован и электрический забойный двигатель-электробур.
     Скважины бурят одноствольные, многоствольные, наклонные и горизонтальные. Бурят с земной поверхности, с морских платформ и плавучих морских оснований.

10

    Применяются специальные методы проходки скважин. Пропускается долото через колонну бурильных труб, не поднимая последнюю на поверхность. Используются алмазные долота. Применяются гибкие бурильные колонны, которые наматываемые на барабан. При проходке скважин используются взрывные, термические, электрофизические, кавитационные и гидромониторные методы разрушения пород.
    При добыче газа необходимо предусмотреть комплекс мер, позволяющих эффективно поставлять на поверхность земли из пласта газ и газовый конденсат. Способ добычи газа определяется режимом работы залежей: водонапорный, упруговодонапорный, газонапорный, растворенного газа, гравитационный (для нефти). Определяются оптимальное число и система расположений эксплуатационных, нагнетательных и резервных скважин.
    На газовых и нефтяных промыслах имеется система для первичной обработки газа и нефти. Нефтегазовая смесь из скважин поступает в специальную емкость - трап, где происходит отделение газообразной и жидкой фаз, затем осуществляется стабилизация, обезвоживание, обессоливание, отделение серы ит. д.
    В зависимости от состояния углеводородов, находящихся в коллекторе (продуктовом пласте) месторождения классифицируют на газовые, газоконденсатные, нефтегазоконденсатные, газогидратные и нефтяные. Газоносные пласты месторождения находятся под огромным давлением. При вскрытии газоносного коллектора скважиной, природный газ из нее вырывается с большой скоростью и давлением. Дебит газа на некоторых скважинах может достигать десятки миллионов м³ в сутки.
    Газовые месторождения могут эксплуатироваться при различных режимах добычи газа. Если давление в пласте создается подпором воды, то в идеальных условиях работы месторождения газ будет вытесняться водой, и давление газа не будет падать в течение всего времени отработки данного месторождения. Такой режим встречается достаточно редко. В месторождениях с газовым режимом работы, давление обеспечивается самим газом. Поэтому работа такого

11