EA012886B1 - Способ повышения добычи нефти и газа - Google Patents

Abstract

Предлагается способ добычи нефти и газа усовершенствованными методами. Обогащенный топочный газ синтезируют из топочного газа утилизационной установки. Обогащенный топочный газ можно подготавливать с учетом конкретных требований; однако этот газ подготавливают с высокой концентрацией диоксида углерода. Его используют для нагнетания с целью повышения высвобождения газа и/или нефти из подземных формаций. Нагнетанием повышают добычу при одновременной секвестрации диоксида углерода из его источника - электростанции.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к добыче углеводородов усовершенствованными методами. В частности, настоящее изобретение относится к добыче нефти и газа усовершенствованными методами и секвестрации диоксида углерода с использованием обогащенного диоксидом углерода топочного газа.

Известные технические решения

Парниковый газ стал предметом растущей обеспокоенности состоянием окружающей среды, и считается, что именно он способствует нехарактерным синоптическим ситуациям и колебаниям температуры.

Техногенными источниками диоксида углерода являются главным образом промышленность и автомобили. Что касается промышленного источника, значительная часть выбросов диоксида углерода приходится на электростанции. На электростанциях Северной Америки обычно используют уголь, природный газ, жидкое топливо, ш!ег айа (среди прочих - лат.) для получения пара под высоким давлением, который затем используется для привода паровых турбин, или непосредственно используют в дизелях или газотурбинных двигателях для производства электрической энергии. Это, естественно, создает выбросы диоксида углерода, обостряющие проблему выбросов.

За последнее время проведен ряд исследований и работ, направленных на использование объемов диоксида углерода для добычи нефти и газа в подземных формациях усовершенствованными методами. Хорошо известно, что эти формации, несмотря на прежнюю экономически эффективную добычу, попрежнему содержат большие запасы нефти и газа. Нагнетание топочного газа является сейчас экономически жизнеспособным путем добычи из ранее продуктивных формаций. При этом в формацию можно осуществлять секвестрацию диоксида углерода, тем самым исключая проблемы его транспортировки, обработки и хранения и обеспечивая соблюдение строжайших требований Киотского договора.

В процессах добычи углеводородов усовершенствованными методами используют смешивающиеся и несмешивающиеся газы, такие как природный газ, продукты сжижения природного нефтяного газа, диоксид углерода, азот или топочные газы, которыми поддерживают давление, восстанавливают его или расширяют в коллектор с вытеснением дополнительной нефти или природного газа в скважину или используют эти же или другие газы для растворения в нефти, чтобы уменьшить ее вязкость и увеличить дебит нефтяной скважины.

Перехват и постоянное хранение диоксида углерода в геологических формациях стали обретающим все большую популярность вариантом для секвестрации выбросов диоксида углерода промышленных предприятий и угольных электростанций. Правительство США в настоящее время разрабатывает политику для стимулирования секвестрации в геологических формациях с целью долгосрочного снижения выбросов.

Расходы, связанные с перехватом диоксида углерода из электростанций и источниками диоксида углерода высокой чистоты, высоки - 20-200 долларов США на метрическую тонну выбросов диоксида углерода. Перехват и секвестрация 90% диоксида углерода на одной новой электростанции в США по оценкам повышают стоимость электроэнергии на 0,02 доллара США на киловатт-час, причем 75-80% стоимости приходятся на перехват, очистку и нагнетание. Учитывая, что технология перехвата является критическим аспектом конструкции станции, установка технологии перехвата на существующих объектах связана с очень большими расходами. Настоящее изобретение относится не только к перехвату, но и к дальнейшим результатам в экономически эффективной добыче углеводородов, которые прежде можно было добывать лишь экономически неэффективно, и обеспечивает дополнительную используемую энергию.

Промышленная применимость

Аспекты изобретения применимы в нефтегазовой промышленности.

Краткое описание изобретения

Соответственно, целью настоящего изобретения является создание способа добычи нефти и/или газа третичными методами с использованием обогащенного СО₂ топочного газа, который (способ) позволяет частично решить проблему парникового газа. Еще одной важной целью настоящего изобретения является создание механизма секвестрации диоксида углерода.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение способа добычи нефти и газа усовершенствованными методами из подземной формации с содержанием по меньшей мере одного из следующего: газа и нефти, включающего следующие стадии:

стадию, на которой обеспечивают устройство преобразования энергии;

стадию, на которой из устройства преобразования энергии отбирают топочный газ;

стадию, на которой топочный газ рециркулируют в указанное устройство преобразования энергии для образования обогащенного диоксидом углерода потока; и стадию, на которой обогащенный диоксидом углерода поток нагнетают в подземную формацию для добычи по меньшей мере одного из следующего: газ и нефть.

В соответствии с еще одной целью настоящего изобретения предлагается способ добычи нефти и газа усовершенствованными методами из подземной формации с содержанием по меньшей мере одного из следующего: газ и нефть, включающий следующие стадии:

стадию, на которой обеспечивают устройство преобразования энергии;

стадию, на которой обеспечивают источник топочного газа;

- 1 012886 стадию, на которой топочный газ рециркулируют в устройство преобразования энергии для образования обогащенного диоксидом углерода потока; и стадию, на которой обогащенный диоксидом углерода поток нагнетают в подземную формацию для секвестрации диоксида углерода в этой формации.

Предпочтительно, в части использования топлива для процесса, в предлагаемом способе можно использовать любой экономичный источник топлива, такой как природный газ, сернистый нефтяной газ, природный газ, растворенный в нефти коллектора, дизельное топливо, тяжелую нефть, битум, мазут вакуумной перегонки, асфальтен, уголь, нефтяной кокс, биомасса или любой подходящий горючий продукт отходов. По экономическим соображениям предпочтительно, чтобы исходным материалом для топлива был источник низкой стоимости, такой как тяжелая или сверхтяжелая фракция битума или тяжелой нефти, такой как мазут атмосферной или вакуумной перегонки, асфальтен или остаток легкого крекинга. Эти исходные материалы используют для получения топлива, называемого многофазным сверхмелким распыленным осадком (М8ЛК™) нефти в водной эмульсии. Это альтернативное топливо эмульгируют в сплошной водной фазе до концентрации от 10 до более чем 35 мас.% для получения легко перекачивающегося и хранимого жидкого топлива с характеристиками горения, аналогичными таковым природного газа. Тяжелую нефть предварительно диспергируют в воде с поверхностно-активным веществом для получения устойчивого размера капель. Непосредственная выгода заключается в том, что топливо достигает коэффициента сгорания углерода выше 99,99% с характеристиками горения, аналогичными таковым природного газа, в части длины пламени и лучистого теплового потока. Чистая выгода заключается в том, что наименее ценную фракцию исходного материала делают полезным топливом, которое можно непосредственно использовать в котле или печи на природном газе в качестве экономически жизнеспособной замены дорогого природного газа.

Эти и другие отличительные признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут понятнее из последующего описания и прилагаемых чертежей.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию общей предлагаемой системы в соответствии с первым вариантом осуществления.

Фиг. 2 представляет собой схематическую иллюстрацию общей предлагаемой системы в соответствии со вторым вариантом осуществления.

На фиг. 3 графически представлена потребность в кислороде при сухом обогащении диоксида углерода в топочном газе.

На фиг. 4 графически представлена потребность в кислороде при мокром обогащении диоксида углерода в топочном газе.

Для цели настоящего изобретения следующие термины определены ниже:

ПГ - парниковый газ;

ПТГ - подготовка топочного газа;

РТГ - рециркуляция топочного газа;

ВД - высокое давление;

ПВК - питательная вода котла;

ПТПГ - прямоточный парогенератор и

УПЭ - устройство преобразования энергии.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация одного возможного варианта осуществления устройства для практического осуществления предлагаемого способа. Элементы устройства обозначены общей позицией 10.

В установке для разделения воздуха (на фиг. 1 не показана) отделяют кислород и азот в потоке воздуха для получения газообразного кислорода 12 чистотой 90% или выше для использования в технологическом процессе. Это решение является примерным; в зависимости от ситуации возможны другие решения. Топливо 14, которое можно выбирать из примеров, не ограничивающих объем настоящего изобретения, в которые включают природный газ, сернистый нефтяной газ, природный газ, растворенный в нефти коллектора, горючее, дизельное топливо, эмульсионное топливо, мазут, биомассу, уголь и нефтяной кокс, смешивают с кислородом 12 и 16, получая топливную смесь для подачи в устройство преобразования энергии, обозначенное позицией 18. Устройство преобразования энергии может представлять собой любое подходящее устройство, такое как контур парогенератора простого цикла, обычного парогенератора или парогенератора на сверхкритическое давление пара с соответствующим приводимым паровой турбиной электрическим генератором или приводимыми паровой турбиной компрессорами. В качестве других подходящих устройств можно использовать модифицированную простую или комбинированную газотурбинную установку совместного производства теплоты и электроэнергии с теплоутилизационным парогенератором (НВ5С). Как еще одну возможность можно использовать тихоходный дизель, которым приводят в действие электрический генератор и/или газовый компрессор. Конкретное устройство или сочетание устройств будут выбирать в зависимости от расчетных параметров.

- 2 012886

Как пример, для конкретных мест добычи углеводородов типичную электростанцию будут рассчитывать на мощность 10-500 МВт или энергоблоками на эту мощность, подходящими для удовлетворения потребности в энергии и получения достаточных объемов нагнетания диоксида углерода для добычи углеводорода усовершенствованными методами. В число отмеченных выше приводимых паром устройств можно также включать прямоточные парогенераторы (ПТПГ), обычные транспортабельные котлоагрегаты, обычные котлы-утилизаторы и котлы с циркулирующим псевдосжиженным слоем с размерами, соответствующими потребности в паре для генерирования электрической энергии.

Для обогащения диоксида углерода в систему включают контур рециркуляции топочного газа 20. Хорошо известно, что преимуществом РТГ является снижение содержания газообразного азота в топочном газе и, таким образом, образования соединений ΝΟ_Χ с сопутствующим преимуществом повышения концентрации диоксида углерода в топочном газе. На графических представлениях фиг. 3 и 4 показано изменение состава топочного газа при изменениях содержания кислорода. Как пример, график на фиг. 3 иллюстрирует очевидное преимущество в качестве диоксида углерода, обусловленное высокой концентрацией кислорода в результате циклического процесса через устройство преобразования энергии. На фиг. 4 приведены те же данные для мокрого обогащения.

Ясно, что при повышенном отношении кислород/воздух для горения при фиксированной концентрации кислорода температуру можно повысить в такой степени, что можно превысить расчетные параметры котла/теплотехнического оборудования. Для того чтобы противодействовать этому ограничению, поток для сгорания в контуре рециркуляции топочного газа можно возвращать обратно в устройство преобразования энергии 18 для термической закалки. Ясно, что количество рециркуляции топочного газа будут устанавливать в зависимости от рабочих параметров оборудования. Таким решением сразу же добиваются значительных преимуществ, а именно:

a) повышенная эффективность и улучшенные эксплуатационные характеристики котла;

b) облегчение для проектировщика в части модернизации существующих электростанций для предлагаемого способа без большой переделки или замены оборудования;

c) повышенные термический КПД и полнота сгорания;

б) снижение выбросов ΝΟ_Χ и

е) повышенная безопасность.

Возвращаясь к общему технологическому процессу, поток 22, который выпускают из устройства преобразования 18, теперь уже поток обогащенного топочного газа, можно затем подготавливать на любом числе стадий в устройстве подготовки топочного газа, обозначенном позицией 24. Обычно топочный газ в зависимости от количественного состава топлива может в дополнение СО₂ содержать такие основные компоненты, как СО, Н₂, избыточный О₂, 3Ο₂, δΟ₃, ΝΟ_Χ, Ν₂, сажу, золу, водяной пар, металлы и др. В подготовку можно включать стадии, на которых удаляют твердые частицы или золу-унос, топочный газ обезвоживают, охлаждают, обессеривают и компримируют, удаляют ΝΟΧ, извлекают побочные продукты, или любое сочетание этих стадий.

Кроме того, исходя из экономической выгоды, можно использовать дополнительные способы для извлечения полезных и ценных побочных продуктов, обозначенного позицией 26, таких как СО, Н₂, 3Ο₂, вода и тяжелые металлы, для других промышленных целей, известных специалистам в данной области. Как дальнейшее разъяснение, устройство преобразования энергии 18 можно эксплуатировать со сгоранием топлива в достехиометрическом, стехиометрическом режимах или в режиме с избытком кислорода. В зависимости от конкретных требований в обогащенном топочном газе можно создавать разные побочные продукты. Обычно предпочтительно используют режим, близкий к стехиометрическому, чтобы получить наибольшую концентрацию диоксида углерода в обогащенном топочном газе. В некоторых случаях может быть желательным использовать эти побочные продукты в составе топочного газа.

В качестве полезной энергии 28, которую вырабатывают устройством преобразования энергии 18, можно вырабатывать, как один пример, электрическую энергию или прямую передачу для компримирования обогащенного топочного газа и/или воздуха для горения/кислорода в операциях устройства подготовки топочного газа 24. В зависимости от расчетного баланса компонентов и требуемого объема обогащенного топочного газа для нагнетаний можно производить избыточную энергию 30 и продавать ее на свободных рынках как избыточную электрическую энергию.

Остаточную воду 32, которую выпускают из устройства подготовки топочного газа 24, можно повторно использовать в других технологических процессах. Приготовленный топочный газ для нагнетания транспортируют по линии 34 в подземную формацию 36. Топочный газ для нагнетания можно транспортировать с содержанием диоксида углерода выше 30 об.%; однако его можно изменять в зависимости от состава формации 36 в соответствии с фиг. 2 и 3.

Формацию 36 можно использовать с содержанием любого одного или всего из следующего: нефть, битум, тяжелая нефть, природный газ, природный газ, растворенный в нефти коллектора или можно использовать чисто для секвестрации топочного газа.

Добытые углеводороды подают из формации 36 по линии 38 и их можно подвергать дальнейшей обработке. Это факультативная стадия.

- 3 012886

Состав подготовленного топочного газа предусматривают изменяемым и будут делать зависящим от конкретного характера содержания и физико-химических свойств формации. Ясно, что состав подготовленного топочного газа, возможно, потребуется динамически изменять при изменении формации со временем. Как пример, этот состав можно предусматривать с содержанием 50% диоксида углерода и 50% азота, 70% диоксида углерода и 30% азота и вплоть до 100% диоксида углерода.

Возвращаясь к фиг. 2, на которой показан вариант общего процесса, где в цепи между устройством преобразования энергии 18 и устройством подготовки топочного газа 24 предусматривают рекуператор тепла 23. В этом варианте рекуператор тепла 23 используют для уравновешивания производимой энергии и максимального повышения термического КПД способа с комбинированным циклом. При таком решении обеспечивают использование первичных двигателей, например газовых турбин и дизелей. Рекуператор тепла 23 можно использовать для генерирования дополнительного пара для производства электрической энергии или для предварительного подогрева воды, воздуха для горения или кислорода с целью повышения энергетического КПД способа.

Описанная технология обладает преимуществом, которое заключается в повышении добычи ценностей, первоначальных запасов минимум на 5%; это представляет собой существенное повышение экономической эффективности добычи. Эта эффективность дополнительно повышается за счет производства дополнительной электрической энергии и/или пара.

В заключение, путем объединения концепций синтезирования обогащенного топочного газа для нагнетания в формацию углеводородов реализуют следующие дополнительные преимущества:

ί) уменьшение выбросов твердых частиц;

ίί) улучшенное сгорание углерода;

ίίί) уменьшение содержания N в топочном газе, что дает объемное уменьшение более чем на 60%; ίν) экономическая выгода от большей добычи углеводородов;

ν) отсутствие трубопроводов и устройств компримирования для топочного газа;

νί) автономность работы за счет производства электрической энергии и/или пара для управления технологическим процессом;

νίί) автономное генерирование топлив низкой стоимости, таких как МБАК™, эмульсионное топливо, асфальтены, битумы; и νίίί) более высокий КПД устройства преобразования энергии за счет использования избыточного О₂.

Claims (8)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ повышения добычи нефти и газа из подземной формации, заключающийся в том, что из устройства преобразования энергии отбирают топочный газ;

   осуществляют рециркуляцию топочного газа в указанное устройство преобразования энергии для образования обогащенного диоксидом углерода потока и нагнетают обогащенный диоксидом углерода поток в указанную подземную формацию, повышая добычу газа и нефти, при одновременной секвестрации диоксида углерода в формацию.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру указанного устройства подготовки энергии понижают рециркуляцией топочного газа.
3. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный обогащенный диоксидом углерода поток обрабатывают по меньшей мере в одном устройстве обработки.
4. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что обогащенный диоксидом углерода поток обрабатывают путем удаления твердых частиц, обессеривания топочного газа, охлаждения топочного газа, обезвоживания топочного газа, компримирования топочного газа или удаления ΝΟ_Χ, а также путем сочетания перечисленных стадий.
5. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют рекуперацию энергии, которую генерирует указанное устройство преобразования энергии.
6. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что избирательно извлекают побочные продукты, образованные в результате обработки потока, обогащенного диоксидом углерода.
7. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что указанные побочные продукты добавляют к топочному газу.
8. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что из указанной формации избирательно добывают газ и нефть.