СПОСОБ ДОБЫЧИ БИТУМОВ ИЛИ ОСОБО ТЯЖЕЛОЙ ФРАКЦИИ НЕФТИ ИЗ ПОДЗЕМНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ, УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭТОЙ УСТАНОВКИ
METHOD TO PRODUCE BITUMENS OR EXTRA HEAVY FRACTION OF OIL FROM UNDERGROUND FIELD, PLANT FOR ITS REALISATION AND METHOD OF THIS PLANT OPERATION

Изобретение относится к способу добычи битумов и/или особо тяжелой фракции нефти из подземного месторождения, при котором вязкость битума и/или особо тяжелой фракции нефти снижается “in situ” (на месте эксплуатации), для чего в месторождение подается энергия, с одной стороны, в форме пара, протекающего через месторождение, а с другой стороны - электрический нагрев. Наряду с этим изобретение также относится к соответствующей установке и способу эксплуатации этой установки.
о
При способе “in situ” добычи битумов из нефтеносного песка посредством пара (например, циклической стимуляцией паром (CSS), поддерживаемого паром гравитационного дренажа (SAGD)), требуются большие количества водяного пара для нагрева битума в месторождении. Обычно применяется пар с температурой 250С и качеством 0,95, то есть практически в перегретом состоянии. Хотя этот пар имеет очень высокое содержание энергии, возникают очень большие количества воды, которые вместе с нефтью вновь транспортируются на земную поверхность и там должны утилизироваться.
Применение дополнительного электрического нагрева резервуара уже описано в DE 10 2007 008 292 А1, а также в более ранних неопубликованных немецких патентных заявках AZ 10 2007 036 832.3, AZ 10 2007 040 605.5 и AZ 10 2007 040 607.1 и может успешно демонстрироваться с помощью математического моделирования. Специально в случае предложенного там дополнительного индуктивного нагрева говорят об электромагнитном (ЕМ) SAGD-способе.
Сравнительно высокая стоимость для электрической мощности снижает, во всяком случае по сравнению с энергией в форме пара, экономическое преимущество последних предложений.
На практике основанная на электрическом нагреве добыча битума из нефтеносного песка коммерчески еще не используется. При известных экспериментальных установках, которые используют чисто электрический, резистивный нагрев, электрическая мощность берется из сети.
Пар для SAGD- или CSS-способов вырабатывается в отдельных паровых котлах, которые типично отапливаются природным газом (например, Suncor's Millenium Project aus “Canadas Oilsands and Heavy Oil”, April 2000, http://www.centreforenergy.com/documents/187.pdf - S.23) или битумом. Также было предложено, из имеющихся GuD-установок, электрическая энергия которых возвращается в сеть, для вышеописанной цели отводить технологический пар. Поэтому эти установки всегда размещены центрально и стационарно, причем передача энергии влечет за собой потери, которыми нельзя пренебречь.
Исходя из этого задачей изобретения является предложить концепцию способа, с помощью которой можно улучшить экономичность уже предложенных способов. Наряду с этим должна быть предложена соответствующая установка с соответствующим способом эксплуатации.
Указанная задача в соответствии с изобретением решается способом согласно пункту 1 формулы изобретения. Соответствующая установка приведена в пункте 11 формулы изобретения. Предпочтительный способ ее эксплуатации является предметом еще одного независимого пункта 24. Варианты осуществления способа, установки и соответствующего способа эксплуатации приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Предметом изобретения является техническая концепция для добычи битумов или особо тяжелых фракций нефти из нефтеносных песков, которая отличается автономным энергоснабжением и экономически очень выгодной добычей. Необходимые для этого средства производства предоставляются соответствующей изобретению установкой.
С помощью изобретения предложен производственный принцип добычи битумов или особо тяжелых фракций нефти, в особенности, из нефтеносных песков, при котором используется промышленная турбина, которая комбинируется с генератором и котлом-утилизатором или отдельно обогреваемым котлом. Промышленная турбина может быть либо газовой турбиной, либо паровой турбиной.
В соответствии с изобретением можно при факультативном применении газовой турбины или паровой турбины применять либо котел-утилизатор, либо обогреваемый котел. В котлах-утилизаторах при выработке электрической энергии вырабатывается отходящее тепло. Котел-утилизатор с помощью блока клапанов снабжается производственной водой, которая посредством отводимого тепла газовой турбины превращается в пар. Выработанный таким образом пар подается в коллекторный блок. При отдельно обогреваемом котле, напротив, из подводимой извне воды может аналогичным образом вырабатываться пар как для SAGD-способа, так и для генерации электрической мощности посредством паровой турбины.
При необходимости, в рамках изобретения можно также комбинировать газовую турбину и паровую турбину. При этом отходящее тепло при генерации электрической мощности используется в газовой турбине. В обогреваемом котле может затем пар вырабатываться по бойлерному принципу, если используемый из газовой турбины отходящий газ не достаточен для выработки пара котла-утилизатора. На получаемом при этом избытке пара работает паровая турбина.
В обеих альтернативах часть добываемого битума, предпочтительно 20%, сжигается. Тем самым одновременно электрическая мощность и пар вырабатываются в соотношении, например, 1:4 относительно мощности. Такое разделение мощности соответствует благоприятному соотношению при проводившихся до сих пор моделированиях резервуара для электромагнитного нагрева в комбинации с инжекцией пара (ЕМ-SAGD).
о
Особенно предпочтительным в изобретении является замкнутый, автономный цикл при работе ЕМ-SAGD-установки. Это обеспечивается, в первой альтернативе, в частности, за счет того, что газовая турбина, которая должна быть пригодна для сжигания битумов или особо тяжелой фракции нефти, непосредственно отапливается горючим веществом, которое добывается при добыче битума из разрабатываемого месторождения нефтеносного песка. Отработанный газ газовой турбины может при этом термически подаваться в котел-утилизатор с парогенератором, который вырабатывает такой пар, который нагрет, например, до 300С. Система питательной воды парогенератора отходящего тепла может быть снабжена питательным насосом, так что может регулироваться специфическое для резервуара давление. В качестве компенсатора служит резервуар, куда пар нагнетается через так называемую инжекционную скважину. Пар нагревает резервуар и делает его более проницаемым. Во второй альтернативе, с паровой турбиной, напротив, пар вырабатывается с помощью отдельно нагреваемого котла, в котором сжигается горючее из добычи битума. Получаемый из этого котла пар может, с одной стороны, подаваться на паровую линию инжекционных трубопроводов и, с другой стороны, может приводить в действие паровую турбину.
В обоих случаях газовая турбина или паровая турбина механически связана с генератором, который известным способом вырабатывает электрическую мощность, но которая теперь применяется исключительно для собственной потребности добычи битума или особо тяжелой фракции нефти. Таким образом сгенерированная электрическая мощность через трансформаторы и распределительные устройства так называемого блока скважин распределяется таким образом, что отдельные электрические модули снабжаются для электропитания в EM-SAGD-способе. EM-SAGD-модули снабжают, в особенности, индукторы, которые размещены как специальные проводники в грунте резервуара и посредством которых из-за потерь переменного тока осуществляется дополнительный нагрев почвы, что приводит к оптимизации добычи битума.
С помощью изобретения добыча битума имеющейся SAGD-установки с так называемыми «парами скважин», при которых одна пара состоит из трубы инжекции пара («инжекторная скважина») и соответствующей дренажной трубы для добычи битума («производственная скважина») или кратко «транспортирующая (рабочая) труба», в значительной степени улучшается. Через транспортирующую трубу, которая горизонтально пролегает под индуктором, транспортируется битумно-водная смесь.
Соотношение между доставленной электрической энергией на индукторе и энергией, введенной за счет этого в резервуар, и паром равно соотношению генерации из турбинного генератора, а также котла-утилизатора, который размещен за газовой турбиной. Соответствующее справедливо для отдельно нагреваемого парового котла паровой турбины. Соотношение составляет в обоих случаях типично 1:3. При этом мощность для пары скважин при электрической мощности нагрева 1 МВт находится в пределах от 3 до 4 МВт.
В соответствующем изобретению способе транспортируемая битумно-водная смесь очищается в обогатительной установке, и вода удаляется. Полученная вода в пригодном для котла виде подается в систему питательной воды. Битум обрабатывается, чтоб быть пригодным для транспортировки и перегонки, то есть высушивается и очищается. Неразбавленный битум отводится, чтобы сжигать его в промышленной газовой турбине или в обогреваемом паровом котле. Для этого необходимо нагревать битум примерно до 110°С, чтобы его перевести в состояние с достаточно низкой вязкостью.
Специально при применении газовой турбины, особенно для пуска из холодного старта, необходимо временно применять обычный легкий мазут. После достижения достаточной температуры камеры сгорания и после нагрева битума, что может осуществляться из частичного потока пара из котла-утилизатора, система снабжения топливом газовой турбины может перестраиваться на сжигание битума. Если турбина должна останавливаться, то сначала нужно возвратиться в режим с использованием мазута, так что весь битум из подводящих трубопроводов к горелкам вымывается.
Другие особенности и преимущества изобретения вытекают из последующего описания со ссылками на чертежи примеров выполнения в связи с формулой изобретения.
На чертежах показано:
Фиг. 1 - пространственное представление части месторождения нефтеносного песка, которое имеет средства для известного SAGD-способа и в которое введены дополнительные средства для индуктивного нагрева резервуара,
Фиг. 2 - первая форма выполнения технических средств для генерации электрической мощности, с одной стороны, и парогенерации, с другой стороны, и
Фиг. 3 - вторая форма выполнения технических средств для генерации электрической мощности, с одной стороны, и парогенерации, с другой стороны.
На чертежах одинаковые блоки обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Фиг. 2 и 3 описываются совместно настолько, что их различия становятся ясными.
На фиг. 1 представлена часть месторождения нефтеносного песка, который может находиться на глубине несколько сотен метров под землей.
В соответствии с этим в более ранней неопубликованной немецкой патентной заявке AZ 10 2007 040 605.5 согласно уровню техники показанная на фиг. 1 элементарная ячейка 100 резервуара содержит инжектор пара с инжекционной трубой 101 и продуктопровод 102 для добычи битума/особо тяжелой фракции нефти с одновременным возвращением воды. В частности, для индуктивного нагрева имеются отдельные проводники 10, 20 в качестве индукторов, которые либо под землей, либо над землей замкнуты через шлейф 25. Другие ячейки 100', 100” резервуара выполнены соответствующим образом.
С помощью фиг. 2 и 3 иллюстрируются различные производственные средства для реализации комбинированного ЕМ-SAGD-способа с индуктивным нагревом.
На фиг. 2 показана газовая турбина 1 с компрессором. Газовая турбина 1 может быть обычной промышленной турбиной, которая может обогреваться различным топливом. С обратной стороны имеется воздухозаборник, а сбоку - подвод для топлива.
Газовая турбина 1 включена за электрическим генератором 2, причем газовая турбина 1 и генератор 2 механически связаны. Генератором 2 управляется распределительное устройство или электрический распределительный блок 3 для распределения мощности. Блоком 3 для электрического распределения мощности управляется общий блок 4 распределителя и накопления для распределения пара и тока, с одной стороны, и для накопления продукта, с другой стороны. В технике такое устройство 4 обычно называется «блоком скважин».
Блоком 4 распределителя управляются отдельные, находящиеся в ячейках 100, 100', 100”… по фиг. 1 пары скважин из соответствующей пары труб с инжекционным трубопроводом 101. Осуществляется распределение энергии в форме пара, с одной стороны, и в форме электрической мощности, с другой стороны.
Блок 4 скважин содержит для этого не показанную отдельно паровую сборную шину, электрическое распределительное устройство и приемное устройство для транспортируемого продукта. Тем самым реализуются средства для управления потоками материалов при добыче битума и/или особо тяжелой фракции нефти, включая возвращаемую воду. Ссылочные позиции 8, 8', 8”… представляют преобразователь переменного тока для электропитания переменного тока, которое запитывается от распределительного устройства.
В блоке электропитания с производственными средствами, кроме того, имеется устройство для отделения добываемого битума/особо тяжелой фракции нефти от возвращаемой воды, которое обозначено ссылочной позицией 13. В него также может быть встроен блок для обработки и восстановления возвращаемой воды, причем, кроме того, имеется блок 14 для подачи и отвода воды. Подготовленная вода может затем также применяться для генерации пара и посредством насоса 15 с мотором 15' подается в котел-утилизатор 16 для генерации пара. Выработанный таким образом пар подается через клапанное устройство 22 на блок 4 распределителя. Через внутреннюю шину распределителя электрическая мощность и пар подаются на соответствующие выходы блока 4 распределителя.
Ссылочной позицией 17 на фиг. 2 обозначен накопитель для добытого битума и/или особо тяжелой фракции нефти, из которого, в частности, отходит отводной трубопровод для обогащения и очистки добытого продукта. Малая часть добытого битума и/или особо тяжелой фракции нефти подается через блок 18 теплообменника, который имеет выход для обогрева газовой турбины 1.
На фиг. 3 представлены, в качестве альтернативы или дополнения к фиг. 2, производственные средства для реализации комбинированного SAGD-способа и электрического нагрева, особенно индуктивного нагрева.
На фиг. 3 паровая турбина обозначена ссылочной позицией 11. Паровая турбина 11 представляет собой специфическую промышленную турбину, которая приводится в действие исключительно паром. За паровой турбиной 11 включен электрический генератор 2, причем паровая турбина 11 и генератор 2 механически связаны. Генератором 2 вновь управляется блок 3 для электрического распределения мощности, а также общий блок 4 распределителя и накопителя для распределения пара и тока, с одной стороны, и для накопления продукта, с другой стороны, который выше уже упоминался как «блок скважин» («WellPad»). Тем самым в англоязычной специальной терминологии определяется компоновка нескольких скважин в единый технический блок (well - скважина, pad - блок, поле (участок)).
Блоком 4 распределителя управляются отдельные пары скважин из соответствующей пары труб через распределение энергии в форме пара, с одной стороны, и в форме электрической мощности, с другой стороны.
Блок 4 скважин содержит для этого не показанную отдельно паровую сборную шину, электрическое распределительное устройство и приемное устройство для транспортируемого продукта. Тем самым реализуются средства для управления потоками материалов при добыче битума и/или особо тяжелой фракции нефти, включая возвращаемую воду. Ссылочная позиция 8 представляет рабочий блок для электропитания, которое запитывается от распределительного устройства.
В блоке электропитания с производственными средствами, кроме того, имеется устройство для отделения добываемого битума/особо тяжелой фракции нефти от возвращаемой воды, которое обозначено ссылочной позицией 13. В него также может быть встроен блок для обработки и восстановления воды, причем ссылочной позицией 14 обозначена система питающей воды.
Ссылочной позицией 17 на фиг. 2 и фиг. 3 обозначен накопитель или хранилище для добытого битума и/или особо тяжелой фракции нефти, из которого, в частности, отходит отводной трубопровод для обогащения и очистки добытого продукта. Определенная часть добытого битума и/или особо тяжелой фракции нефти направляется через блок 18 и служит для генерации пара в котле, то есть одновременно пара для SAGD-способа и пара для генерации электрической мощности в паровой турбине с целью индуктивного нагрева месторождения.
Обе концепции способа отличаются, таким образом, конкретно выполнением промышленной турбины: одна газовая турбина может эксплуатироваться с различными топливами, причем с помощью имеющегося отходящего тепла генерируется пар для SAGD-способа. Паровая турбина может, напротив, эксплуатироваться только с паром, который сначала генерируется в котле посредством электрического нагрева воды.
В конкретном примере выполнения в основу положена установка с 50 парами скважин, чтобы добывать примерно 50000 bl битума в сутки. Применяются три газовые турбины с электрической мощностью 17 МВт каждая. Каждая пара скважин требует 1 МВт электрической энергии и 3… 4 МВт пара. Необходимый для собственного потребления для работы установки ток и пар ответвляется. При выходе из строя одной газовой турбины потребление тока для производства битума управляемым образом уменьшается и соответственно также распределяется подлежащее распределению количество пара.
В целом в обоих примерах выполнения выработка необходимой для добычи энергии осуществляется путем сжигания добываемого битума или особо тяжелой фракции нефти в автономном, замкнутом контуре циркуляции. Для сжигания применяется битум или битумная смесь, состоящая из битума/легкой фракции нефти или из битума/растворителя, причем в качестве растворителя применяется нафта. Если в качестве промышленной турбины применяется газовая турбина, то предварительная обработка топлива перед камерами сгорания газовой турбины может обеспечивать то, что посредством нагрева топлива до 150°С может достигаться достаточная вязкость и может осуществляться впрыскивание в камеры сгорания. При предварительной обработке топлива могут применяться сепараторы и фильтры, которые извлекают тяжелые металлы, золу и иные частицы. Может также быть предварительно включен дистиллятор, дистиллят которого подается на предварительную обработку топлива промышленной турбины, причем тяжелые полиароматы, то есть асфальтены, добавляются к добытому битуму, который транспортируется как продукт на перерабатывающее устройство. Вместо дистиллята может предусматриваться так называемый крекинг-процесс, который углеводороды с длинными цепочками восстанавливает до пригодного топлива.
При обеих отдельно описанных схемах установок существенным является то, что реализуется замкнутый, независимый цикл циркуляции для битума/особо тяжелой фракции нефти, который не требует никакого дополнительного внешнего электропитания. Тем самым имеет место независимость от существующих сетей, так что вся установка готова к использованию мобильным образом и на изменяющихся местах использования месторождения нефтеносного песка или битуминозных горючих сланцев с уже имеющейся SAGD-установкой добычи.