УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДОБЫЧИ УГЛЕРОДОСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВ ИЗ НЕФТЕНОСНОГО ПЕСКА
DEVICE AND METHOD OF PRODUCING CARBON-CONTAINING SUBSTANCES FROM OIL SAND

Изобретение относится к устройству и способу добычи углеродосодержащих веществ, в частности, битума, из нефтеносного песка.
Большие количества мировых запасов нефти имеются в виде нефтяного песка. Под нефтяным песком понимается смесь горных пород, глины, песка, воды и битума или других тяжелых фракций нефти. Ниже в порядке замещения тяжелых, особо тяжелых фракций нефти или в общем случае длинноцепных углеводородов речь пойдет только о битумах, обычно встречающихся в месторождениях с вязкостью 5-15° по API (API - American Petroleum Institute - Американский институт нефти). С помощью соответствующих технологических операций битум может превращаться в синтетическую сырую нефть.
Залежи нефтяного песка, если они располагаются в слоях земли на незначительной глубине, предпочтительно, разрабатываются открытым способом. Однако зачастую залежи нефтяного песка располагаются в более глубоких слоях земли, не доступных разработке открытым способом или разработка которых открытым способом была бы неэкономичной. Обычно залежи нефтяного песка, начиная с глубины порядка 60 м, разрабатываются так называемыми способами на нужном месте (in situ). Дело в том, что при этом способе нет необходимости в разработке покровного слоя, располагающегося над залежью нефтяного песка.
Широко распространенным способом in situ является Steam Assisted Gravity Drainage (SAGT). При способе SAGT битум, залегающий в месторождении в земле, нагревается с помощью перегретого пара. Под действием нагрева длинноцепные углеводороды высоковязкого битума расщепляются. Нагрев нефтяного песка приводит к уменьшению вязкости битума, который становится в результате текучим и обычно может откачиваться из залежи.
Устройство для осуществления способа SAGT содержит по меньшей мере один инжекционный трубопровод для подвода перегретого пара к залежи и один продуктовый трубопровод, по которому жидкий битум из залежи может подаваться на поверхность земли. Инжекционный, а также продуктовый трубопровод по существу прокладываются в залежи параллельно друг другу и горизонтально один над другим. Инжекционный и продуктовый трубопроводы обычно удалены друг от друга в вертикальном направлении примерно на 5-10 м. В горизонтальном направлении трубы внутри залежи простираются на расстояние от нескольких сотен метров до нескольких километров. Инжекционный трубопровод обычно находится над продуктовым трубопроводом. В результате нагрева и уменьшения вязкости битума последний под действием силы тяжести стекает вниз к продуктовому трубопроводу и может просто откачиваться оттуда и подаваться на поверхность земли. Подача может достигаться или с помощью подъемных нефтяных насосов, или путем создания избыточного давления в залежи. Однако создание избыточного давления имеет тот существенный недостаток, что в окружении месторождения на поверхности земли может произойти сброс (Blowout), в частности, в том случае, если слой земли поверх залежи имеет незначительную толщину. По этой причине обычно давление пара на входном трубопроводе в залежь уменьшается посредством дросселя или дроссельного клапана до давления, меньшего относительно давления горных пород в области залежи. При этом дроссельный клапан установлен между парогенератором и инжекционным трубопроводом. Поскольку давление пара падает в дроссельном клапане без пользы, способ мало эффективен.
По этой причине в не ранее предварительно опубликованной патентной заявке ФРГ 10 2012 000092.8 заявителя под названием «Устройство и способ добычи углеродосодержащих веществ из нефтяных песков» между парогенератором и инжекционным трубопроводом предлагается устанавливать по меньшей мере одну паровую турбину. Благодаря установке паровых турбин между парогенератором и инжекционным трубопроводом падение давления, обычно осуществляемое с помощью дроссельного клапана без пользы, может использоваться для регенерации энергии. Для этого паровая турбина, предпочтительно, подсоединяется к генератору для генерирования тока.
Другим широко распространенным способом in situ является способ Electro Magnetic Gravity Drainage (EMGD). При способе EMGD нагрев залежи осуществляется с помощью электрического/электромагнитного способа нагрева, при котором, в частности, происходит индукционный обогрев. Способ EMGD раскрыт в патентной заявке ФРГ 10 2007 040605.5 под названием «Устройство для добычи битума или сырой тяжелой нефти способом «in situ» заявителя. Способ EMGD также связан с большим расходом энергии.
Задача в отношении устройства решается с помощью признаков независимого пункта формулы изобретения, а в отношении способа с помощью признаков независимого пункта формулы изобретения.
Другие варианты осуществления и преимущества изобретения, используемые в отдельности или в комбинации друг с другом, являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Поэтому задачей изобретения является такое усовершенствование способа «in situ», чтобы коэффициент полезного действия устройства повышался. Одновременно задачей настоящего изобретения является демонстрация соответствующего способа добычи углеродосодержащих веществ.
Задача в отношении устройства и способа решается с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения.
Другие варианты осуществления и преимущества изобретения, используемые в отдельности или в комбинации друг с другом, являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Наряду с высокой потребностью в энергии проблемы возникают также с приготовлением битумно-водяной эмульсии. При приготовлении невозможно добиться обеспечения полного отделения битума от воды. Более того, приходится считаться с тем, что в воде, а тем самым позднее в пару остаются остатки битума. При использовании паровой турбины они создают существенные проблемы, поскольку дело может дойти до загрязнений внутри паровой турбины и тем самым до изменения рабочих характеристик паровой турбины. Кроме того, углеродосодержащие вещества могут вредно действовать на материал паровой турбины, так что для паровой турбины должны использоваться высокоценные и потому дорогие материалы.
Ввиду вышеописанной проблемы задачей изобретения является создание устройства для добычи углеродосодержащих веществ, в частности, битума, из нефтяных песков, которое лишено вышеописанных недостатков и имеет высокий коэффициент полезного действия.
Кроме того, задачей настоящего изобретения является создание с помощью такого устройства способа добычи углеродосодержащих веществ, в частности, битума, из нефтяных песков.
Задача в отношении устройства решается с помощью признаков независимого пункта формулы изобретения, а в отношении способа с помощью признаков независимого пункта формулы изобретения.
Варианты осуществления и усовершенствования изобретения, используемые в отдельности или в комбинации друг с другом, являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Устройство для добычи углеродосодержащих веществ согласно изобретению, в частности, битума их нефтяных песков, содержит по меньшей мере два отдельных паровых контура, причем
- первый паровой контур содержит по меньшей мере один первый парогенератор и соединенную с первым парогенератором паровую турбину с промежуточным пароотбором;
- второй паровой контур содержит по меньшей мере один второй парогенератор, в частности, в виде первого теплообменника, инжекционный трубопровод, продуктовый трубопровод и водоочистительную установку, причем по инжекционному трубопроводу пар подается в нефтяной песок, по продуктовому трубопроводу углеродосодержащие вещества отводятся из нефтяного песка, а в водоочистительной установке битум отделяется от воды;
- промежуточный пароотбор из первого парового контура находится в кинематической связи с первым теплообменником второго парового контура.
Благодаря форме исполнения устройства согласно изобретению по меньшей мере с двумя паровыми контурами паровой контур, с помощью которого эксплуатируется паровая турбина, может эксплуатироваться как замкнутый контур, который не входит в соприкосновение с углеродосодержащими веществами. Таким образом, в первом паровом контуре не возникает никаких загрязнений, и загрязнений и повреждений паровой турбины можно не ожидать. В результате повышается эксплуатационная надежность паровой турбины, и можно отказаться от использования дорогих специфических материалов, не восприимчивых к углеродосодержащим веществам, благодаря чему стоимость паровой турбины снижается.
Второй паровой контур служит для образования пара, который по инжекционным трубопроводам может подаваться в залежь нефтяных песков. Пар нагревает залежь и тем самым нефтяные пески, вследствие чего происходит расщепление длинноцепных углеводородов. К тому же уменьшается вязкость битума, вследствие чего битум становится текучим. При этом текучий битум под действием силы тяжести опускается вниз и затем может подаваться на гора как битумно-водяная эмульсия. Для подачи пригодны, например, простые подъемные нефтяные насосы. Затем битумно-водяная эмульсия может приготавливаться в соответствующей очистительной установке, причем вода битумно-водяной эмульсии по соответствующему возвратному трубопроводу может подаваться во второй паровой контур. При этом остатки битума в пару в результате наличия отдельного парового контура не попадают в паровую турбину и потому не приводят к нарушениям в работе паровой турбины. Таким образом, благодаря форме исполнения устройства для добычи углеродосодержащих веществ из нефтяных песков согласно изобретению с двумя отдельными паровыми контурами получается контур с «чистым» паром, служащим для эксплуатации паровой турбины, и появляется открытый контур с «загрязненным» паром для нагрева залежей нефтяного песка.
Одна из форм исполнения устройства согласно изобретению, в которой паровая турбина со стороны привода соединена с первым генератором для выработки электроэнергии, отличается тем, что устройство имеет электрический/электромагнитный нагреватель для обогрева нефтяных песков, приводимый в действие с помощью электрического тока, вырабатываемого первым генератором. Благодаря дополнительному электрическому/электромагнитному нагреву достигается особенно быстрый и хороший разогрев залежи, вследствие чего происходят особенно хорошее расщепление длинноцепных углеводородов и быстрое уменьшение вязкости. В результате месторождение может разрабатываться оптимально. Вследствие того, что первый генератор расположен непосредственно со стороны привода паровой турбины, электрический ток используется для электрического/электромагнитного нагрева без больших потерь, благодаря чему достигается высокий коэффициент полезного действия устройства согласно изобретению.
Другой вариант осуществления изобретения предусматривает, чтобы устройство содержало по меньшей мере один тепловой двигатель, в частности, газовую турбину, которая со стороны отбора мощности соединена со вторым генератором для выработки электроэнергии, и чтобы электрический ток, генерируемый вторым генератором, использовался для одновременного или альтернативного нагрева нефтяных песков посредством электрического/электромагнитного нагрева. Благодаря использованию теплового двигателя для генерирования дополнительного электрического тока электрический/электромагнитный нагрев может быть осуществлен, соответственно, более производительно и подстроен под имеющиеся залежи нефтяного песка. С использованием соответствующей схемы электрический/электромагнитный нагрев, предпочтительно, может производиться исключительно тепловым двигателем или как паровой турбиной, так и тепловым двигателем или их подключенными генераторами. В зависимости от производимой электрической мощности и необходимой электрической мощности электрического/электромагнитного нагрева генераторы могут дополнительно поставлять ток для вспомогательных агрегатов или отдавать его в электросеть.
Очередной вариант осуществления изобретения предусматривает, чтобы парообразование в первом паровом контуре осуществлялось посредством второго теплообменника, причем чтобы горячий отработавший газ теплового двигателя использовался для парообразования в первом паровом контуре. Благодаря использованию отходящего тепла отработавшего газа теплового двигателя может быть увеличен коэффициент полезного действия устройства согласно изобретению. При этом теплоотдача, предпочтительно, происходит в теплообменнике, причем отработавший газ протекает через теплообменник в противоток воде/пару первого парового контура.
Способ добычи углеродосодержащих веществ согласно изобретению, в частности, битума из нефтяных песков, с помощью устройства по одному из предшествующих пунктов формулы изобретения содержит следующие технологические операции:
- парообразование в первом парогенераторе первого парового контура;
- подача пара в паровую турбину;
- стравливание первой части пара до первого давления и подача первой конденсированной части пара в первый парогенератор;
- отбор второй части пара при промежуточном пароотборе у паровой турбины и возврат второй части пара через первый теплообменник второго парового контура в первый парогенератор;
- парообразование в первом теплообменнике второго парового контура;
- подача пара второго парового контура по инжекционному трубопроводу в нефтяной песок;
- разогрев нефтяного песка с помощью пара второго парового контура и расщепление длинноцепных углеводородов углеродосодержащих веществ;
- отвод углеродосодержащих веществ по продуктовому трубопроводу;
- подача углеродосодержащих веществ в очистительную установку и отделение воды от битума;
- подача отделенной воды в первый теплообменник второго парового контура.
С помощью способа согласно изобретению углеродосодержащее вещество, в частности, битум, добывается из нефтяного песка в отдельном паровом контуре из залежи, или месторождения, нефтяного песка и при этом не вступает в соединение с паровым контуром, служащим для эксплуатации паровой турбины. В результате появляются «загрязненный» паровой контур, который может содержать составные элементы битума, и «чистый» замкнутый паровой контур для эксплуатации турбины. Оба независимых друг от друга паровых контура обеспечивают высокую эксплуатационную надежность и сокращают расходы на паровую турбину, поскольку не происходит никакого загрязнения, и потому материалы для паровой турбины могут быть более низкого качества, чем используемые до этого.
Пример выполнения и другие преимущества изобретения описываются ниже на фиг. 1. На чертеже изображена упрощенная схема.
Фиг. 1 изображает пример выполнения устройства для добычи углеродосодержащих веществ согласно изобретению, в частности битума из нефтяных песков. Нефтяные пески находятся в залежах 14 в земле. Если слой горной породы над залежью не слишком велик, разработка нефтяных песков производится открытым способом. Правда, начиная с определенной глубины, как правило, превышающей 60 м, разработка открытым способом становится неэкономичной, так что используются описанные во вводной части описания способы in situ.
Устройство согласно изобретению для такого способа in situ содержит по меньшей мере два отдельных паровых контура 1, 5. При этом первый паровой контур 1 содержит по меньшей мере один первый парогенератор 2 и соединенную с первым парогенератором 2 паровую турбину 3 с промежуточным пароотбором 4. Второй паровой контур 5 содержит по меньшей мере один второй парогенератор, в частности, в виде первого теплообменника 7, инжекционный трубопровод 8, продуктовый трубопровод 9 и водоочистительную установку 10. Инжекционный трубопровод 8 и продуктовый трубопровод 9 обычно проходят в залежи 14 параллельно (на фиг. 1 не показано). При этом инжекционный трубопровод 8 и продуктовый трубопровод 9 проходят параллельно и обычно на удалении около 5 м друг от друга. В горизонтальном направлении трубы простираются в залежи 14 на расстояние от нескольких сотен метров до нескольких километров. По инжекционному трубопроводу 9 пар может подаваться в залежь 14 и тем самым в нефтяной песок. Перегретый пар обеспечивает расщепление длинноцепных углеводородов и уменьшение вязкости битума. В результате расщепления углеводородов высоковязкого битума и уменьшения вязкости битум становится текучим. При этом текучий битум под действием силы тяжести опускается вниз, а затем в виде битумно-водяной эмульсии может подаваться на гора. Для подачи годятся, например, простые подъемные насосы.
Затем битумно-водяная смесь в соответствующей очистительной установке 10 может перерабатываться в сырую нефть. Вода битумно-водяной эмульсии регенерируется в водоочистительной установке и по соответствующему возвратному трубопроводу 16 снова поступает во второй парогенератор 6. Промежуточный пароотбор 4 первого парового контура 1 находится в кинематической связи с первым теплообменником 7 второго парового контура 5. Это означает, что прегретый пар промежуточного пароотбора отбирается, а тепловая энергия в первом теплообменнике 7 отдается воде/пару второго парового контура и в результате обеспечивает выпаривание воды во втором паровом контуре 5. При этом непосредственного контакта между водой/паром первого парового контура 1 и водой/паром второго парового контура 5 не происходит. Первый паровой контур 1 описывается как замкнутый паровой контур. Благодаря этому никакого загрязнения воды/пара в первом паровом контуре 1 произойти не может. Таким образом, загрязнение воды/пара первого парового контура 1 битумом исключается. В результате эксплуатационная надежность устройства согласно изобретению по сравнению с устройствами, описанными в уровне техники, явно возрастает. Кроме того, паровая турбина, а также соответствующие вспомогательные агрегаты и трубопроводы могут изготавливаться из простых материалов, благодаря чему расходы на паровую турбину сокращаются. Паровая турбина 3 со стороны отбора мощности соединена с первым генератором G1. Генератор G1 генерирует электрический ток, непосредственно служащий для осуществления электрического/электромагнитного нагрева 11. Электрический/электромагнитный нагрев 11 служит также для обогрева месторождения нефтяного песка. Электрический/электромагнитный нагрев 11 осуществлен в залежи в дополнение к инжекционному и продуктовому трубопроводам. Благодаря дополнительному электрическому/электромагнитному нагреву 11 достигается особенно хороший прогрев залежи. В результате достигаются хорошее расщепление длинноцепных углеводородов и существенное снижение вязкости битума, благодаря чему месторождение может разрабатываться весьма успешно.
Кроме того, устройство содержит тепловой двигатель в виде газовой турбины 12, соединенной со стороны отбора мощности со вторым генератором G2. Генератор G2 также генерирует электрический ток, который может использоваться для осуществления электрического/электромагнитного нагрева 11. Предпочтительно, предусмотрена схема, обеспечивающая осуществление электрического/электромагнитного нагрева 11 или исключительно с помощью паровой турбины 3, или исключительно с помощью газовой турбины 12, или одновременно с помощью газовой турбины 12 и паровой турбины 3 т.е. их генераторов. В зависимости от необходимой электрической мощности газовая турбина 12 может рассчитываться соответствующим образом.
Не нужная электрическая энергия, производимая генераторами G1 и G2, может дополнительно использоваться для эксплуатации дополнительных и вспомогательных агрегатов установки или отдаваться в электросеть.
Парообразование в первом паровом контуре осуществляется в примере выполнения посредством второго теплообменника 13. Теплообменник 13 запитывается горячим отработавшим газом теплового двигателя 12, а горячий газ проходит при этом через второй теплообменник 13 в противоток воде/пару первого парового контура 1. Второй теплообменник 13 может дополнительно обогреваться с помощью топочного котла и т.п.
Ниже кратко поясняется способ добычи углеродосодержащих веществ согласно изобретению, в частности, битума, из нефтяных песков, посредством вышеописанного устройства. Сначала в первом паровом контуре 1 в первом парогенераторе 2 производится пар, который подается в паровую турбину 3. Первая часть пара почти полностью стравливается, а затем конденсируется в конденсаторе 16 и с помощью дополнительных насосов 17, 18 и дегазационного/деаэрационного устройства 19 подается в первый парогенератор 2. Вторая часть пара отбирается у паровой турбины 2 при промежуточном пароотборе 4. Пар, который отобран при промежуточном пароотборе и который имеет более высокую температуру, возвращается через первый теплообменник 7 второго парового контура 5 обратно в первый парогенератор 2 первого парового контура 1. При этом пар протекает через первый теплообменник 7 в противоток воде/пару второго парового контура 5 и при этом отдает часть тепла воде/пару второго парового контура 5. В результате в первом теплообменнике 7 второго парового контура 5 образуется пар, который по инжекционному трубопроводу 8 подается в нефтяной песок. Перегретый пар нагревает нефтяной песок и обеспечивает расщепление длинноцепных углеводородов углеродосодержащих веществ, вызывая уменьшение вязкости. В результате под действием силы тяжести происходит опускание битумно-водяной эмульсии. По продуктовому трубопроводу 9 битумно-водяная эмульсия отводится и подается на очистительную установку 10. Для этого используется простой подъемный насос 15. В очистительной установке 10 битум отделяется от воды. Затем битум может перерабатываться в сырую нефть. Вода, отделенная от битума, снова подается на первый теплообменник 7 и выпаривается. Вода, потерянная в процессе, замещается.
Устройство согласно изобретению отличается двумя отдельными паровыми контурами, причем первый паровой контур выступает как замкнутый паровой контур, и паровая турбина эксплуатируется в замкнутом паровом контуре. Первый замкнутый паровой контур не контактирует с углеродосодержащими веществами, так что никакого загрязнения первого парового контура и тем самым загрязнения паровой турбины не происходит. При этом эксплуатационная надежность паровой турбины повышается, и от использования высокоценных материалов можно отказаться, следствием чего является снижение расходов. Добыча углеродосодержащих веществ из нефтяных песков осуществляется во втором открытом паровом контуре. В этом паровом контуре нахождение остатков битума в пару большой роли не играет.