УСТРОЙСТВО И СПОСОБЫ ОТДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ ОТ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ С ПОМОЩЬЮ ГЕНЕРАТОРА УДАРНЫХ ВОЛН
APPARATUS AND METHODS OF SEPARATING HYDROCARBONS FROM SOLID PARTICLES USING A SHOCK WAVE GENERATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[01] Настоящее изобретение относится к устройству и способам отделения углеводородов, таких как битум, от твердых частиц, таких как песок, почва, порода или осадочные частицы. Изобретение может быть использовано в различных нефтепромысловых, не нефтепромысловых, промышленных или экологических целях. Следует принять во внимание, что способы и устройства для отделения углеводородов от твердых частиц могут быть использованы для отделения твердых частиц от углеводородов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[02] Общеизвестно, что при добыче нефти сырые углеводороды смешаны с твердыми частицами, такими как песок, порода или почва. В частности, это имеет место в пластах нефтеносных песков, которые по своей природе содержат пески, глину и другие минералы.
[03] Отделение нефти от твердых частиц может быть дополнительно осложнено в случаях, когда нефть состоит из длинноцепочечных углеводородов (например, битум), которые обычно бывают вязкими, и поэтому прилипают к любым твердым частицам в смеси нефти и твердых частиц. Многие залежи углеводородов, которые находятся в приповерхностных пластах, имеют характерные структуры с большой молекулярной массой, что делает отделение их от неорганического материала пласта (например, горных частиц и песка) сложным процессом. Фактически, трудности в отделении тяжелых углеводородов от твердых частиц (например, в буровом шламе) означают, что часто углеводороды не извлекаются из таких отработанных смесей нефти с твердыми частицами.
[04] Например, в западном канадском осадочном бассейне, в настоящее время самое экономически выгодное решение для многих компаний состоит в стабилизации отходов бурения, загрязненных нефтью, с помощью абсорбирующего материала (например, древесной щепы) и их транспортировки к регламентированным установкам для удаления и обезвреживания отходов с инициированием или достижением частичного повторного извлечения углеводородов или без них.
[05] Другие способы отделения нефти от твердых частиц включают в себя технологию тепловой десорбции, при которой для создания сил трения используют большие количества механической энергии с целью генерирования тепла, которое используют для испарения углеводородов из бурового шлама, пары которых затем конденсируют и повторно используют или продают, что обычно обеспечивает возможность обращения с твердыми частицами после обработки как с «инертными» неопасными отходами и захоронение или разбрасывание их на месте работ.
2
[06] Однако данный метод не показал себя с положительной стороны для обработки бурового шлама, загрязненного нефтью, при использовании парогравитационного дренажа (steam assisted gravity drainage, SAGD). В частности, было обнаружено, что нефть, полученная в процессе парогравитационного дренажа, была слишком вязкой для эффективного испарения, и при использовании слишком высоких температур, длительном времени пребывания в устройстве обработки и использовании высокой энергии, образовывался газообразный сероводород (HS), опасный для операторов. Кроме того, песок в операциях бурения парогравитационного дренажа проявляет абразивные свойства, что может привести к повреждению устройств, в которых используются нагревательные элементы на основе сдвиговой деформации.
[07] В более общем плане, необходимость в интенсивном подводе энергии может привести к удорожанию получения углеводородов с большой молекулярной массой по сравнению с другими известными источниками сырой нефти. Поэтому желательным является энергетически эффективный процесс. Кроме того, было бы выгодно, чтобы любой побочный продукт процесса был достаточно безопасным, чтобы его можно было безопасно утилизировать с помощью ограниченной дополнительной обработки.
Известный уровень техники
[08] Vermeulen и др. в СА 1058541 раскрыли способ и устройство для отделения битума от битуминозного песка, содержащее электрическую флотационную камеру, образованную контейнером, в котором на первом уровне размещена порция неотделенного битуминозного песка, и который затем заполняют водой до второго уровня, и электроды, расположенные в камере по отношению к битуминозному песку таким образом, что после подачи низкого напряжения к электродам через битуминозный песок и воду проходит электрический ток.
[09] Jarvinen в СА 2866244 описал способ и устройство для извлечения нефти или битума из почвы, содержащей нефть или битум, или из твердых почвенных материалов, содержащих нефть или битум, например, нефтеносного песка или изо льда, причем нефть или битум экстрагируют с помощью горячей жидкости так, что почва или почвенный материал входит в контакт с горячей жидкостью. Тепло горячей жидкости извлекает нефть или битум из почвы или из твердых почвенных материалов. Горячую нефть или горячую воду закачивают в почву, или твердые почвенные частицы погружают в горячую нефть или горячую воду.
[010] Steinnes в WO 2012125043 раскрывает способ и устройство для очистки бурового шлама, содержащего шлам и буровой раствор на нефтяной основе, в котором значительную часть бурового раствора удаляют из бурового шлама, причем способ включает в себя:
- размещение бурового шлама в резервуаре;
- создание вибрации резервуара до псевдоожижения частиц бурового шлама;
- поддержание бурового шлама в состоянии псевдоожижения частиц во время последующей обработки;
- добавление мыла в буровой шлам;
- обеспечение прохождения мыла через буровой шлам во время нахождения бурового шлама в состоянии псевдоожижения частиц;
- слив жидкости из резервуара; а затем
- выпуск очищенного бурового шлама из резервуара.
[011] В работе Genc, А. и Bakirci, В. "Обработка эмульгированной нефти электрокоагуляцией: применения импульсного напряжения" ("Treatment of emulsified oils by electrocoagulation: pulsed voltage applications", Water Science and Technology 71.8, 2015 (doi: 10.2166/wst.2015.092)) описано влияние применения импульсного напряжения на энергопотребление при обработке эмульгированной нефти с помощью электрокоагуляции.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[012] В соответствии с изобретением обеспечено устройство для отделения углеводородов от твердых частиц в водной смеси углеводородов и твердых частиц, причем устройство содержит:
контейнер для размещения водной смеси углеводородов и твердых частиц;
генератор ударных волн, содержащий пару электрических выводов, расположенных внутри контейнера;
импульсный источник питания, выполненный с возможностью подачи одного или более импульсов напряжения к паре электрических выводов;
при этом устройство выполнено таким образом, что при подаче импульса напряжения к паре электрических выводов в смеси создается ударная волна для способствования разделению компонентов смеси.
[013] Следует понимать, что импульсные разряды между парами электрических выводов, согласно вариантам реализации изобретения, описанным в данном описании, представляют собой сложный электрический феномен с участием высокоскоростных переходных процессов. Например, электрический разряд может вызвать одно или более из следующих явлений:
Ударные и звуковые волны;
3
2
2
Прямые и косвенные химические эффекты: Например, могут создаваться химически высокоактивные гидроксилы (такие как O, OH, HO и т.п.) и возникать разрыв ковалентной связи; реакции гидролиза; изменения уровня pH; реакции синтеза или анализа; окислительно-восстановительные реакции.
Ультразвуковая химия
Объемное перемещение, обеспечивающее вид перемешивания
Тепловое влияние на объемные свойства (например, нагрев может понижать вязкость тяжелых углеводородов);
Ионизация вследствие электрических полей; а также
Фотохимия (например, возбуждаемая ультрафиолетовыми лучами).
[014] Один или более из этих эффектов могут быть объединены для способствования разделению компонентов водной смеси углеводородов и твердых частиц. Иными словами, энергия, содержащаяся в электрическом разряде между выводами, может быть распределена посредством одного или более различных механизмов к компонентам водной смеси углеводородов и твердых частиц для осуществления разделения.
[015] Следует понимать, что то, как распределяется энергия электрического разряда, может зависеть от конкретных электрических характеристик компонентов водной смеси углеводородов и твердых частиц (например, от того, являются ли компоненты проводниками, изоляторами и/или диэлектриками). Кроме того, распределение энергии электрического разряда может зависеть от пространственного распределения компонентов водной смеси углеводородов и твердых частиц. Например, мелкие частицы могут обеспечивать большую площадь поверхности для протекания химических реакций.
[016] Импульсный источник питания может содержать источник питания высокого напряжения.
[017] Пара выводов может содержать пару электродов, содержащую положительный электрод и отрицательный электрод, расположенные внутри контейнера и разделенные зазором, таким образом, что при подаче к смеси импульса высокого напряжения между электродами возникает плазменная дуга, которая подает смеси ударную волну. Водная смесь углеводородов и твердых частиц сама может проводить плазменную дугу для создания ударной волны.
[018] Можно считать, что контейнер содержит одну или более стенок для ограничения смеси таким образом, что по меньшей мере ее часть находится между парой выводов.
[019] Напряжение между выводами в паре выводов может составлять по меньшей мере 18 кВ. Напряжение между выводами в паре выводов может составлять по меньшей мере 35 кВ. Напряжение между выводами в паре выводов, может составлять не более 50 кВ. Напряжение между выводами в паре выводов, может составлять не более 60 кВ. Напряжение между выводами в паре выводов, может составлять не более 100 кВ. Более низкие напряжения могут уменьшать скорость износа одного или более выводов. Более низкие напряжения могут уменьшать потребность в электрической изоляции и потребляемой мощности. Более высокое напряжение может вызывать более мощные ударные волны и/или усиливать различные химические реакции.
[020] Градиент напряжения между выводами в паре выводов может составлять от 7,1 кВ/см до 39,4 кВ/см. Градиент напряжения между выводами в паре выводов, может составлять по меньшей мере 7,1 кВ/см. Градиент напряжения между выводами в паре выводов, может составлять не более 50 кВ/см (или не более 39,4 кВ/см).
[021] Генератор ударных волн может быть выполнен с возможностью установки проволочного мостика между выводами в паре электрических выводов, причем проволочный мостик выполнен с возможностью взрыва в ответ на импульс напряжения, поданный к паре выводов, который подает ударную волну к смеси.
[022] Устройство может содержать механизм замены проволочного мостика, причем механизм замены проволочного мостика выполнен с возможностью замены проволочного мостика после каждого импульса напряжения.
[023] Генератор ударных волн может содержать ионный мостиковый инжектор, выполненный с возможностью введения ионного раствора между парой электрических выводов генератора ударных волн таким образом, что при подаче к смеси импульса напряжения, между парой электрических выводов создается плазменная дуга, которая подает ударную волну к смеси.
[024] Ионный мостиковый инжектор может быть выполнен с возможностью многократного введения объема ионного материала для обеспечения создания с помощью генератора ударных волн последовательных ударных волн.
[025] Устройство может содержать мешалку, выполненную с возможностью перемешивания и/или обеспечения перемещения совокупного объема в водной смеси углеводородов и твердых частиц.
[026] Устройство может содержать несколько пар выводов.
[027] Каждый импульс напряжения может иметь энергию по меньшей мере 500 Дж.
[028] Устройство может быть выполнено с возможностью подачи последовательности ударных волн к смеси.
[029] Временной интервал между последовательными ударными волнами может быть не более чем 5 секунд. Устройство может быть выполнено с возможностью подачи ударных волн с частотой около 5 в секунду или намного быстрее.
[030] Время нарастания переднего фронта импульса напряжения может быть меньше чем 3 мкс. Передний фронт может считаться временем, которое требуется для нарастания импульса до максимального напряжения. Пиковая скорость нарастания напряжения может составлять по меньшей мере 2 кВ/мкс.
1
4
[031] Расстояние между выводами в указанной паре выводов может находиться между / дюйма (0,635 см) и 1 дюймом (2,54 см). Расстояние между выводами в указанной паре выводов может находиться между 1 дюймом (2,54 см) и 2 дюймами (5,1 см).
[032] Один из выводов в указанной паре выводов может представлять собой точечный вывод, а другой вывод в паре выводов может представлять собой пластину.
[033] Один из выводов в указанной паре выводов может быть выполнен с возможностью перемещения для перемешивания и/или поступательного перемещения водной смеси углеводородов и твердых частиц внутри контейнера.
[034] Смесь может быть введена в контейнер через систему подачи самотеком и/или систему заполнения под давлением (например, содержащую насос).
[035] Один из выводов в указанной паре выводов может образовывать часть шнека, причем шнек выполнен с возможностью перемешивания и перемещения водной смеси углеводородов и твердых частиц через контейнер от впускного отверстия к выпускному отверстию. Шнек может быть выполнен в виде непрерывной винтовой спирали (или витков). Витки шнека могут представлять собой ленточные витки (например, для использования в очень густых, вязких смесях). Шнек может быть выполнен без вала. Поток жидкости в вышеуказанных шнеках может быть либо противоточным, либо совпадающим с направлением потока транспортировки твердых веществ в шнеках.
[036] Шнек может быть выполнен в виде шнека с витками со стандартным шагом. Транспортирующие шнеки с шагом (например, расстоянием, которое проходит виток, соответствующим 1 полному обороту), по существу равным диаметру шнека, считаются стандартными. Они пригодны для целого ряда материалов в большинстве стандартных вариантов применения.
[037] Шнек может быть выполнен в виде шнека с короткий шагом. В этом случае шаг витков уменьшен до дробного числа (например, примерно между 2/3 диаметра). Это может быть предпочтительным для наклонных или вертикальных вариантов применения. Он используется в шнековых питателях. Уменьшенный шаг уменьшает смывание материалов, которые подвергаются псевдоожижению.
[038] Шнек может быть выполнен в виде шнека с половинным шагом. Это шнек представляет собой частный вариант шнека с меньшим шагом, в котором шаг уменьшен до 1/2 стандартного шага. Он может быть полезен для наклонных вариантов применения, для шнековых питателей и для работы с чрезвычайно текучими материалами.
[039] Шнек может быть выполнен в виде шнека с переменным шагом. Витки с переменным шагом имеют переменный, увеличивающийся или уменьшающийся шаг, и могут быть использованы в шнековых питателях, например, чтобы обеспечить равномерный забор мелких, сыпучих материалов по всей длине впускного отверстия.
[040] Шнек может быть выполнен в виде шнека с двойными (или множественными) витками. Двойные (или множественные) витки могут обеспечить плавный равномерный поток материала и равномерное перемещение определенных типов или материалов.
[041] Шнек может быть выполнен в виде шнека с конусными витками. Конусные (или винтовые) витки увеличиваются или уменьшаются в диаметре по длине (например, от 2/3 до полного диаметра). Эти шнеки могут использоваться в шнековых питателях для обеспечения равномерного забора комковатых материалов. Они могут быть более экономически выгодными, чем шнеки с переменным шагом.
[042] Шнек может быть выполнен в виде шнека с витками с вырезами. Витки с вырезами имеют вырезы с равномерными интервалами на внешней кромке этих витков шнека. Вырезы могут содействовать смешиванию и перемешиванию материала в процессе перемещения. Эти шнеки могут быть полезны для перемещения материалов, склонных к слеживанию.
[043] Шнек может быть выполнен в виде шнека со складчатыми витками и с вырезами. Эти шнеки могут содержать складчатые сегменты витка, выполненные с возможностью подъема и сброса материала. Частично замедленный поток может способствовать тщательному перемешиванию. Это может помочь нагреванию, охлаждению или аэрации легких веществ.
[044] Шнек может быть выполнен в виде шнека с ленточными витками. Ленточные шнеки могут быть предпочтительными для транспортировки липких или вязких материалов. То есть открытое пространство между витком и трубопроводом или валом может помочь устранить скопление и накопление материала.
[045] Шнек может содержать одну или более лопастей. Например, регулируемые лопасти, расположенные между витками шнека, могут быть выполнены с возможностью противодействия потоку для обеспечения плавного, но тщательного перемешивания.
[046] Шнек может работать с отрицательным углом (т.е. продвигая твердые частицы под углом вниз); с нулевым углом (горизонтальный), до положительного (под углом вверх) угла, вплоть до 90° (вертикальный).
[047] Флотационные средства могут быть введены в любой нижней точке вдоль вертикальной длины шнека.
[048] Выводы могут быть расположены на корпусе или стенках контейнера или в них, в любом пространственном расположении. Например, выводы могут находиться или не находиться на одной линии. Пространственное разнесение между соседними электродами может быть различным.
[049] В вариантах реализации изобретения с несколькими парами выводов энергетическое воздействие (например, по принципу генерирования импульсов) для разных пар выводов может быть разным. Например, частота повторения импульсов или распределение энергии для различных пар выводов может быть с нормальным распределением, со смещением влево или вправо, или быть бимодальным или мультимодальным для осуществления энергоэффективного разделения углеводородов в смеси.
[050] Противоположные пары выводов могут быть использованы в любом месте за пределами объема действия витков шнеков.
[051] Устройство может содержать объемный сепаратор, содержащий отдельные выпускные отверстия для фазы твердых частиц, нефтяной фазы и водной фазы.
[052] Ударные и/или звуковые волны могут быть поданы к смеси с использованием термодинамического цикла Ленуара. В цикле Ленуара материал (например, часть смеси или ионного мостика) подвергается: добавлению теплоты по существу при постоянном объеме (изохорическое) (в данном случае, быстрый нагрев плазменной дугой с образованием газонаполненного канала или полости, которая расширяется и создает ударную волну в окружающем материале); изоэнтропическому расширению пузырька (которое создает звуковую волну в окружающем материале по мере увеличения объема пузырьков до максимума); и отводу тепла при постоянном давлении (изобарический) (когда пузырек захлопывается, также создавая звуковую волну в окружающем материале, и цикл может начаться снова). Скорость движения начальной ударной волны может составлять по меньшей мере 1500 м/с. Скорость движения звуковой волны может составлять плюс 10 м/с при росте пузырьков и минус 10 м/с при захлопывании пузырьков.
[053] Устройство может содержать один или более шнеков для перемещения смеси относительно одного или более неподвижных выводов.
[054] Устройство может содержать один или более шнеков для перемещения смеси, а стенки контейнера могут быть выполнены с формой, соответствующей по меньшей мере части окружности одного или более шнеков.
[055] В соответствии с еще одним аспектом обеспечен способ отделения углеводородов от твердых частиц в водной смеси углеводородов и твердых частиц, причем способ включает:
подачу последовательности из одного или более импульсов напряжения между электрических выводов, расположенными в водной смеси углеводородов и твердых частиц, таким образом, что при подаче указанного импульса напряжения к выводам в водной смеси углеводородов и твердых частиц создается ударная волна, что способствует разделению компонентов смеси.
[056] Способ может включать добавление воды в смесь, содержащую углеводороды и твердые частицы, так что вода составляет по меньшей мере 25% от полученной смеси по объему. Содержание воды может составлять не более 90% смеси по объему.
[057] Последовательность импульсов может обеспечивать возможностью ограничения температуры образца не более чем до 50°С. Последовательность импульсов может обеспечивать возможностью ограничения температуры образца не более чем до 85°С.
[058] Твердые частицы могут содержать почву или минералы. Твердые частицы могут содержать фрагменты породы.
[059] Углеводороды могут содержать битум.
[060] В соответствии с еще одним аспектом обеспечено устройство для отделения углеводородов от твердых частиц в водной смеси углеводородов и твердых частиц, причем устройство содержит:
контейнер для размещения водной смеси углеводородов и твердых частиц;
генератор ударных волн, выполненный с возможностью создания одной или более ударных волн внутри смеси в контейнере;
причем устройство выполнено таким образом, что создаваемые ударные волны способствуют разделению компонентов смеси.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[061] Различные объекты, характеристики и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из следующего описания конкретных вариантов реализации настоящего изобретения, показанных на прилагаемых чертежах. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе, вместо этого акцент сделан на иллюстрировании принципов работы различных вариантов реализации настоящего изобретения. Подобные номера позиций обозначают одинаковые компоненты.
На ФИГ. 1а показан схематический вид устройства для отделения углеводородов от твердых частиц с использованием ударной волны, создаваемой плазменной дугой.
На ФИГ. 1b показан схематический вид профиля импульсного напряжения, которое подается к выводам согласно варианту реализации изобретения, показанному на ФИГ. 1а.
На ФИГ. 2 показан схематический вид системы для отделения углеводородов от твердых частиц.
На ФИГ. 3 показан схематический вид системы для отделения углеводородов от твердых частиц с использованием ударной волны, создаваемой проволочным мостиком.
На ФИГ. 4 показан схематический вид системы для отделения углеводородов от твердых частиц с использованием ударной волны, создаваемой ионным мостиком.
На ФИГ. 5 показан вид в разрезе контейнера и блок выводов устройства для отделения углеводородов от твердых частиц с использованием одной или более ударных волн.
На ФИГ. 6а показан вид сбоку в разрезе сепараторного устройства для отделения углеводородов от твердых частиц с использованием ударной волны.
На ФИГ. 6b показан вид в разрезе сепараторного устройства, показанного на ФИГ. 6а.
На ФИГ. 7а показан вид в перспективе сепараторного устройства для отделения углеводородов от твердых частиц с использованием ударной волны.
На ФИГ. 7b показан вид в разрезе сепараторного устройства, показанного на ФИГ. 7а.
На ФИГ. 7с показан частичный продольный разрез пары выводов сепараторного устройства, показанного на ФИГ. 7а.
На ФИГ. 7d показан вид в перспективе варианта сепараторного устройства, показанного на ФИГ. 7а.
На ФИГ. 8 показан схематический вид системы для отделения углеводородов от твердых частиц с использованием ударной волны, создаваемой ионным мостиком.
На ФИГ. 9а показан поперечный разрез еще одной компоновки пары плоских выводов.
На ФИГ. 9b и 9с показаны виды сверху в перспективе компоновок пар плоских выводов.
На ФИГ. 9d показан вид в поперечном разрезе еще одного сепараторного устройства для отделения углеводородов от твердых частиц с использованием ударной волны.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Введение
[062] Настоящее изобретение относится к устройству и способам отделения углеводородов от твердых частиц в водной смеси углеводородов и твердых частиц. Эти устройства и способы, используемые для отделения углеводородов от твердых частиц, описаны со ссылкой на чертежи. Устройства и способы могут быть, в частности, применимы для отделения тяжелых углеводородов, таких как битум, от горных пород или минеральных частиц, таких как песок или карбонаты. Рассматриваемый метод направлен на осуществление отделения углеводородов от твердых частиц, одновременно сводя к минимуму использование добавок, которые могут содержать химические вещества, потенциально опасные для окружающей среды, такие как кислоты, основания, мыло или ионные материалы. Кроме того, рассматриваемый метод может уменьшить необходимость в подаче внешнего тепла к сырью или в обеспечении высокоинтенсивного перемешивания для обработки.
[063] К тому же следует понимать, что этот метод также может применяться для отделения более легкой рафинированной или сырой нефти от твердых частиц. Например, светлые нефтепродукты могут содержать очищенные углеводороды, такие как дизельное топливо и минеральная нефть или моторные масла.
[064] Устройство содержит: контейнер для смеси; генератор ударных волн, содержащий два электрических вывода, и импульсный источник питания. Импульсный источник питания выполнен с возможностью подачи последовательности из одного или более импульсов напряжения к выводам таким образом, что при подаче каждого импульса напряжения к выводам, ударная волна подается к смеси для способствования разделению компонентов смеси. Использование ударных волн может уменьшить необходимость в нагревании смеси и/или добавлении химических веществ для способствования отделению углеводородов от твердых частиц, таких как песчаные, минеральные или карбонатные твердые частицы.
[065] Все термины, используемые в данном описании, имеют определения, которые с достаточными основаниями выводятся из чертежей и описания. Кроме того, выражения, используемые в данном описании, следует интерпретировать в максимально широком смысле, который является рациональным при рассмотрении обоснования предмета изобретения, как понятно специалисту в данной области техники. Кроме того, следует понимать, что известный уровень техники, приведенный при делопроизводстве по патентной заявке, не может быть конкретно идентифицирован до составления рассматриваемого документа, и что во время делопроизводства могут быть внесены различные изменения, что требует изменения терминов для обеспечения ясности в различии между заявленным изобретением и известным уровнем техники, и что такие изменения обоснованно выводятся с учетом настоящего документа в целом и обоснования изобретения.
[066] Различные аспекты настоящего изобретения будут теперь описаны со ссылкой на чертежи. Для целей иллюстрации, компоненты, изображенные на чертежах, не обязательно вычерчены в масштабе. Вместо этого акцент сделан на выделении различного вклада компонентов в функциональные возможности различных аспектов настоящего изобретения. Ряд возможных альтернативных элементов вводится по ходу данного описания. Следует понимать, что, в соответствии со знаниями и суждением специалистов в данной области техники, такие альтернативные элементы могут быть замещены в различных комбинациях в различных вариантах реализации настоящего изобретения.
[067] В рамках настоящего описания варианты реализации описаны таким образом, который позволяет выполнить четкое и краткое описание, но следует понимать, что оно предназначено и должно рассматриваться с учетом возможности разнообразного объединения или разделения вариантов реализации, не отходя от сущности изобретения. Например, следует понимать, что все предпочтительные элементы, описанные в настоящем документе, могут быть применимы ко всем аспектам настоящего изобретения, описанного в настоящем документе.
[068] Данный метод может быть использован в стационарной установке или в мобильном блоке обработки (например, варианты реализации на основе грузового автомобиля или судна) для обработки «загрязненной нефтью» бурового шлама и отходов при разработке месторождений, отходов переработки, хранения и транспортировки нефти нефтепромысловых компаний. Данный метод может быть использован для извлечения, например, углеводородов из бурового шлама на нефтяной основе и/или углеводородов из выбуренной породы пласта (например, на рынках парогравитационного дренажа) и/или для очистки загрязненных твердых веществ после разлива нефти (например, песка из загрязненного берега) или загрязненных материалов со дна цистерн или из выносимого из скважины песка.
Вариант реализации изобретения с плазменной дугой
[069] На ФИГ. 1а показан вариант реализации сепараторного устройства 100 для отделения углеводородов от твердых частиц в водной смеси 103 углеводородов и твердых частиц, содержащего:
контейнер 101 (например, тигель, бак, канал или труба) для размещения водной смеси углеводородов и твердых частиц;
генератор ударных волн, содержащий пару 102 выводов, имеющую положительный вывод 102b и отрицательный вывод 102а; и
импульсный источник 104 питания, выполненный с возможностью подачи импульса напряжения между положительными и отрицательными электрическими выводами 102а, b,
при этом устройство выполнено таким образом, что при подаче импульса напряжения к положительному и отрицательному электрическим выводам в смеси создается ударная волна для способствования разделению компонентов смеси.
[070] Импульсный источник 104 питания в данном случае представляет собой источник питания высокого напряжения, а пара выводов содержит пару 102 электродов, имеющую положительный электрод 102b и отрицательный электрод 102а, расположенные внутри контейнера и разделенные зазором таким образом, что при подаче к смеси импульса высокого напряжения между электродами 102а ,b в водной смеси 103 углеводородов и твердых частиц возникает плазменная дуга, которая подает к смеси ударную волну.
[071] Следует понимать, что импульсный источник питания может содержать конденсаторы, выполненные с возможностью сохранения заряда для его передачи при возбуждении импульса.
1
1
4
2
[072] Контейнер может иметь емкость до нескольких литров (например, 1 галлон или 4 литра), или может быть значительно больше (например, 1000 литров или больше). Контейнер может быть изготовлен из стали (например, толщиной, превышающей / дюйма (6,35 мм) или / дюйма (12,7 мм)). Следует понимать, что контейнер должен быть выполнен с возможностью выдерживать воздействие ударных волн.
[073] В связи с этим, отрицательный электрод 102а является катодом, так как отрицательный электрод представляет собой электрод, из которого условный электрический ток выходит из поляризованного электрического устройства (то есть, из которого поступают электроны). Аналогично, в контексте настоящего документа, положительный электрод 102а является анодом, так как положительный электрод представляет собой электрод, из которого условный электрический ток входит в поляризованное электрическое устройство (то есть, в которое поступают электроны). Следует понимать, что «положительный» и «отрицательный» в данном контексте означает относительный заряд по отношению к другому электроду в паре электродов.
[074] В данном случае, один электрод из пары электродов представляет собой точечный электрод, а другой электрод представляет собой пластинчатый электрод. В данном случае, отрицательный (катод) электрод 102а представляет собой точечный электрод, а положительный (анод) электрод 102b представляет собой пластинчатый электрод. Так как точечный электрод может нагреваться (например, вследствие резистивного нагрева), испускание электронов из точечного электрода может происходить легче. При использовании по меньшей мере одного точечного электрода, а не пары параллельных стержневых или пластинчатых электродов, положение плазменной дуги является воспроизводимым. В других вариантах реализации оба электрода из пары электродов могут содержать точечные электроды. В других вариантах реализации изобретения, в которых требуется несколько плазменных дуг, или положение (дуги) является менее важным, могут быть использованы параллельные стержневые или пластинчатые электроды.
[075] Точечный электрод может рассматриваться как электрод, выполненный с возможностью разряда или получения электроэнергии на кончике или конце. Стержневой электрод может рассматриваться как электрод, выполненный с возможностью разряда или получения электроэнергии по длине. Пластинчатый электрод может рассматриваться как электрод, выполненный с возможностью разряда или получения электроэнергии на поверхности. Следует понимать, что обозначение электрода как точечного, стержневого или поверхностного электрода может зависеть от ориентации электрода относительно другого электрода в системе. Например, два удлиненных электрода могут считаться точечными электродами, если они расположены конец к концу соосно; или же стержневыми электродами, если они расположены по существу параллельно друг другу; или одним стержневым электродом и одним точечным электродом, если они расположены поперечно друг другу в одной и той же плоскости.
[076] Положительный (анод) электрод в данном случае соединен с землей. Это позволяет встраивать его в камеру таким образом, что пластина электрода находится в той же плоскости, что и внутренняя поверхность (например, нижняя поверхность) контейнера. Это может облегчать удаление содержимого контейнера (например, отделенный песок, вода и/или нефть).
1
1
1
3
2
4
4
4
[077] Расстояние между электродами в данном случае составляет / дюйма (примерно 1,3 см). Следует понимать, что в других вариантах реализации изобретения расстояние между электродами может составлять примерно от / до 1 дюймом (примерно 0,6-2,5 см) или от / до / дюйма (примерно 0,6-1,9 см).
[078] Как указано выше, анод в данном случае соединен с землей 106. Другой электрод выполнен с возможностью обеспечения напряжения между электродами по меньшей мере 18 кВ (могут быть использованы более высокие напряжения, например, по меньшей мере, 25 кВ). Следует понимать, что к электродам могут быть приложены другие напряжения. Например, электроды могут иметь напряжение одной и той же величины (по отношению к земле), но противоположной полярности. Некоторые варианты реализации изобретения могут быть выполнены с возможностью изменения выходного напряжения от источника питания высокой мощности.
1
1
2
4
[079] В этом варианте реализации изобретения разность потенциалов 23,5 кВ между электродами обеспечивает градиент напряжения между двумя электродами 18,5 кВ/см (23,5 кВ// дюйма). В других вариантах реализации изобретения, градиент напряжения может находиться в пределах примерно от 39,4 кВ/см (25 кВ// дюйма) до 7,1 кВ/см (18 кВ/1 дюйм). Следует понимать, что в вариантах реализации изобретения с более высоким напряжением питания могут иметься большие расстояния между электродами. Следует понимать, что некоторые варианты реализации изобретения могут обеспечить регулирование расстояния между электродами (например, автоматически, в зависимости от состава водной смеси углеводородов и твердых частиц).
[080] В этом случае источник 104 питания высокого напряжения содержит выключатель 104b питания искрового зазора и микроконтроллер 104а. Использование выключателя питания искрового зазора обеспечивает наличие быстро нарастающего переднего фронта профиля импульса, что облегчает формирование плазменной дуги. Микроконтроллер 104 в этом случае выполнен с возможностью создания ряда импульсов (например, с 5-секундными интервалами или намного быстрее). Следует понимать, что последовательность импульсов можно регулировать с помощью других схем или процессоров (например, микропроцессора, специализированной интегральной схемы (application-specific integrated circuit, ASIC) или многоядерного процессора). Кроме того, могут быть использованы более быстрые последовательности импульсов. Например, частота подачи импульсов может быть до нескольких импульсов в секунду или больше.
[081] Источник питания высокого напряжения выполнен с возможностью подачи ряда импульсов высокого напряжения к образцу (в данном случае 1 импульс подается через каждые 5 секунд). Как показано на ФИГ. 1b, в данном случае передний фронт импульса напряжения составляет 2,66 мкс. Следует понимать, что могут быть использованы другие времена нарастания, например, примерно от 1 до 3 мкс или быстрее. В этом случае каждый импульс имеет энергию по меньшей мере 500 Дж. Следует понимать, что более крупные устройства и/или большие расстояния между электродами могут потребовать импульсов большей энергии (например, больше 1000 Дж или больше 3800 Дж).
[082] В этом случае контейнер также содержит первое впускное отверстие 107 для введения водной смеси нефти и твердых частиц в контейнер 101. Кроме того, контейнер содержит выпускное отверстие 108 для удаления отделенной нефти из верхней части контейнера. Следует понимать, что другие варианты реализации изобретения также могут иметь выпускное отверстие для удаления отделенных твердых частиц из нижней части контейнера. В этом случае, контейнер также содержит второе впускное отверстие 109 для введения воды в контейнер. В этом случае второе впускное отверстие проходит в контейнер, и расположено так, чтобы обеспечить поток воды в объем контейнера, в котором будет создаваться плазменная дуга. В действительности, это впускное отверстие действует как мешалка для содержимого контейнера, благодаря перемешиванию содержимого посредством потока текучей среды. Следует понимать, что другие варианты реализации изобретения могут содержать одну или более физических мешалок (например, вал-мешалку, лопастную мешалку, устройство для вращения контейнера, смеситель или вибратор). Следует понимать, что мешалка может быть выполнена с возможностью перемешивания содержимого контейнера в горизонтальной плоскости для предотвращения смешивания слоев в контейнере (например, чтобы предотвратить смешивание слоев отделенных углеводородов и твердых частиц).
[083] Следует понимать, что одно или более впускных отверстий и выпускных отверстий могут быть соединены с насосом для обеспечения циклической подачи содержимого контейнера с целью облегчения перемешивания, наполнения или опорожнения. Например, в одной конфигурации и в зависимости от уровня содержимого, содержимое контейнера может быть извлечено из выпускного отверстия 107 и вновь введено во впускное отверстие 109 для перемешивания содержимого контейнера. Следует понимать, что повторное использование содержимого контейнера может быть направлено на повторное использование неотделенных компонентов смеси.
[084] В этом случае устройство выполнено с возможностью работы в пакетном режиме. То есть водную смесь углеводородов и твердых частиц добавляют в контейнер; разделяют с использованием ударных волн, вызванных плазменной дугой; и отделенные продукты удаляют перед добавлением следующей водной смеси углеводородов и твердых частиц. Следует понимать, что другие варианты реализации изобретения могут обеспечивать непрерывную работу, при которой может непрерывно добавляться смесь нефти и твердых частиц и удаляться отделенная нефть и твердые частицы.
Способ
[085] Для отделения углеводородов от твердых частиц с использованием описанного выше устройства, смесь углеводородов и твердых частиц вводят в контейнер через первое впускное отверстие 107. К смеси, содержащей углеводороды и твердые частицы, через второе впускное отверстие 109 добавляют воду. Это приводит к образованию водной смеси углеводородов и твердых частиц. Как указано выше, добавление воды из впускного отверстия 107 может обеспечивать перемешивание смеси нефти и твердых частиц. Следует понимать, что в некоторых случаях, таких как в вариантах реализации изобретения с использованием парогравитационного дренажа, вода может уже иметься в смеси, так что дальнейшее добавление воды не требуется.
[086] В данном случае, воду добавляют таким образом, что она составляет по меньшей мере 25% полученной смеси по объему, но не более 90% смеси по объему. Предпочтительный диапазон может составлять от 50% до 75%. Это обеспечивает достаточное количество воды для создания достаточной ударной волны и гарантирует, что ударная волна взаимодействует со смесью углеводородов и твердых частиц. В этом случае к смеси добавляется только вода (например, чистая вода, пресная вода или природная вода). Отсутствие использования добавок может означать, что вода, которая отделена от смеси углеводородов и твердых частиц, является более чистой, и поэтому воду после использования можно легче утилизировать или перерабатывать. Отсутствие использования добавок может сделать способ более экономически выгодным.
[087] Добавкой может считаться химическое вещество, которое добавляют в сырьевой материал для регулирования свойств сырья. Например, добавки могут включать поверхностно-активные вещества и/или ионные материалы, или кислоты и основания. Эти добавки могут быть потенциально опасными, когда побочные продукты процесса возвращаются в окружающую среду. Иными словами, для буровых работ очень важно, чтобы водные побочные продукты были чистыми, поскольку обработка воды является существенной технической и финансовой проблемой. Кроме того, это может обеспечить использование природных источников воды (например, реки, озера или морской воды). Следует понимать, что в других вариантах реализации изобретения могут быть добавлены другие химические вещества (например, добавки и/или растворенные вещества), такие как поверхностно-активные вещества (например, мыла, такие как стеарат натрия, чтобы сделать битум более гидрофильным) и/или соли или другие ионные материалы (например, для содействия образованию плазменной дуги и/или управления ей).
[088] Затем к водной смеси углеводородов и твердых частиц подают последовательность из одного или более импульсов высокого напряжения, таким образом, что при подаче импульса высокого напряжения к смеси, создается плазменная дуга 110 между электродами 102а, b, которые подают ударную волну 111 к смеси, чтобы вызвать разделение компонентов смеси. Следует понимать, что ударная волна движется быстрее, чем скорость звука в среде. Кроме того, также можно считать, что ударная волна вызывает ступенчатое изменение плотности материала перед фронтом ударной волны и материала за фронтом ударной волны. Кроме того, следует понимать, что ударная волна может отражаться и преломляться, так как она взаимодействует с различными материалами и поверхностями раздела материалов. Например, ударная волна может частично отражаться и частично передаваться через поверхность раздела между материалами различной плотности (например, поверхности раздела между водой и углеводородами; углеводородами и твердыми частицами и/или между водой и твердыми частицами). Эти свойства могут обеспечить разделение материалов с различными свойствами с использованием ударной волны.
[089] В дополнение к ударной волне, плазменная дуга может образовывать пузырек, который расширяется со временем. Это расширение вызывает прохождение звуковой волны через материал. Звуковая волна, подобно ударной волне, также может способствовать отделению углеводородов от твердых частиц. Следует понимать, что ударная волна, звуковая волна и/или движение пузырьков могут способствовать перемешиванию смеси в контейнере.
[090] Кроме того, плазменная дуга может производить электромагнитное излучение в диапазоне частот (например, включая один или более из диапазонов инфракрасного излучения, видимого света и ультрафиолетового излучения). Это излучение может способствовать химическим реакциям в емкости (например, реакции обогащения и/или нейтрализации потенциально вредных загрязняющих примесей).
[091] Кроме того, плазменная дуга может ионизировать воду. Это может помочь удержанию частиц в водной фазе и предотвращению подъема частиц вверх с отделенными углеводородами.
[092] Твердые частицы в водной смеси могут сохранять заряд при воздействии электрического поля, и при удалении электромагнитного поля твердые частицы разряжаются между собой, создавая вторичную ионизацию и дуговые разряды, которые создают локальные эффекты, как описано в п. 13.
[093] Плазменная дуга 110 и полученная в результате ударная волна 111 могут нагревать смесь. Однако устройство может быть выполнено таким образом, что последовательность импульсов обладает возможностью ограничения температуры образца не более чем до 60°С (и/или повышения температуры на 40°С выше температуры окружающей среды 20°С). Ограничение величины нагрева может уменьшить необходимость в охлаждении отделенной воды перед возвратом воды в окружающую среду. Следует понимать, что устройство может содержать термометр (например, термопару) для измерения температуры образца. Термометр может быть соединен с контроллером для управления импульсным источником питания высокого напряжения для регулирования последовательности импульсов, в зависимости от температуры образца.
[094] Когда углеводороды отделены от твердых частиц, они всплывают к верхней части контейнера, поскольку углеводороды имеют меньшую плотность, чем нагретая вода, и химические изменения в водной фазе способствуют гидрофобности. В противоположность этому, твердые частицы, которые являются более плотными, чем вода, оседают на дно контейнера. Это может облегчить непрерывную обработку, так как твердые частицы могут быть извлечены из нижней части контейнера, а углеводороды из верхней части при добавлении новой смеси углеводородов с твердыми частицами в контейнер.
[095] Следует понимать, что этот способ может быть использован с другими вариантами реализации изобретения, выполненными с возможностью создания ударной волны в смеси, с помощью различных механизмов. Как описано ниже, другие механизмы создания ударной волны включают создание ударных волн с использованием проволочного мостика и/или ионного мостика.
Эксперименты
[096] Чтобы дать количественную оценку количества углеводородов, оставшихся в твердых частицах после отделения с использованием процесса, описанного выше, был проведен следующий эксперимент. Во-первых, примерно 50 единиц суммарного объема обработанной водно-песчаной смеси, отделенной от битума в результате этого процесса, были добавлены к 50 единицам суммарного объема толуола, находящегося при комнатной температуре, с особым вниманием к устранению захваченного воздуха. Толуол растворяет компоненты углеводородов, оставшиеся в обработанных водно-песчаных отходах. Смесь отходов обработанного песка и толуола была приготовлена или доведена до 100 единиц суммарного объема с обычной водопроводной водой (которая не смешивается с толуолом).
[097] Эту смесь воды, толуола и отходов затем перемешивали, смешивали и, наконец, разделяли посредством центрифуги. Затем образцу давали осаждаться под воздействием силы тяжести, благодаря чему происходило разделение на различные компоненты. Песок (теперь промытый растворителем) оседает на дне под слоем воды, которая представляет собой комбинацию добавленной регулирующей воды и воды, захваченной обработанной водно-песчаной смесью. Толуол и растворенная углеводородная фракция плавают в верхней части, и общий объем смеси не изменяется. Какие-либо углеводороды, оставшиеся на обработанном песке, будут растворены в толуоле, и поэтому фракция толуола будет увеличиваться.
[098] Было обнаружено, что фракция толуола с углеводородами составляет меньше чем 50,5 единиц суммарного объема. Иными словами, добавление битума из обработанного отработанного песка добавляет меньше чем 0,5 единиц суммарного объема к 50 единицам суммарного объема первоначально использованного толуола. Толуол, обычно представляющий собой прозрачную жидкость, оказывается черным после перемешивания и центрифугирования. Таким образом, было обнаружено, что объем битума в песке, отделенный с использованием указанного процесса, не превышает 1%. Использование калиброванной центрифужной пробирки, градуированной в %, делает возможным прямое измерение содержания углеводородов, оставшихся в обработанных образцах песка.
0,1%
l4,0%
[099] Еще одно испытание было проведено на другом образце смеси тяжелой нефти и песка по большей части в соответствии со способом 9071В Агентства по охране окружающей среды США (n-Hexane Extractable Material (НЕМ) for Sludge, Sediment, and Solid Samples, Revision 2, April 1998). Однако в этом испытании почвы, осадки и шламы были экстрагированы с использованием дихлорметана (dichloromethane, DCM), а не н-гексана, с последующим выпариванием растворителя и гравиметрическим анализом. Перед разделением испытания показали, что углеводороды составили 14,0% от сухого веса образца. После разделения испытания показали, что углеводороды составили менее 0,1% от сухого веса образца. Это означает удаление 99,3% (=100% × (l - /)) углеводородов из сухой смеси углеводородов и твердых частиц.
[0100] Следует понимать, что эффективность процесса может зависеть от: характера и соотношения компонентов в исходной смеси; конфигурации устройства сепаратора (например, используемое напряжение, расстояние между выводами); и используемых параметров процесса (например, количество ударных волн, частота подачи ударных волн).
[0101] Визуальный осмотр чистого песка с использованием микроскопа высокого разрешения также указывает на то, что песок может быть очищен с помощью указанного способа.
Система разделения
[0102] На ФИГ. 2 показана в увеличенном виде система разделения. Система 290 содержит устройство для отделения углеводородов от твердых частиц (буровой шлам парогравитационного дренажа в данном случае) в водной смеси углеводородов и твердых частиц, причем устройство содержит:
контейнер 201 (например, бак) для размещения водной смеси углеводородов и твердых частиц;
пару 202а, b электродов (или выводов), имеющую положительный электрод 202а и отрицательный электрод 202b в контейнере для подачи напряжения к смеси 209;
импульсный источник 204 питания высокого напряжения для подачи импульса напряжения между положительными и отрицательными электродами,
при этом устройство выполнено таким образом, что при подаче импульса высокого напряжения к смеси, создается плазменная дуга между электродами, которые подают ударную волну к смеси, чтобы вызвать разделение компонентов смеси.
[0103] Кроме того, система содержит бункер 221 для приема бурового шлама от операции бурения или полученного песка. Следует понимать, что с этим вариантом реализации изобретения могут быть использованы и другие смеси и источники отходов, содержащие углеводороды и твердые частицы.
[0104] Кроме того, в бункер 221 может быть добавлена вода. Эта дополнительная вода может помочь сохранению текучести смеси. Вода, добавляемая к буровому шламу на этом этапе, может быть или не быть обработана путем добавления химических веществ с использованием необязательного устройства 224 обработки воды. Химические вещества, которые могут быть добавлены с помощью устройства обработки 224 воды, могут включать одно или более из следующих веществ: разбавитель, такой как дизельное топливо, чтобы помочь растворению тяжелых углеводородов; кислоты или щелочи (например, NaOH) для регулирования рН и/или содержания ионов в смеси; и хелатирующие агенты для связывания с металлами (например, порфин, этилендиамин, (ethylenediamine, EDTA)).
[0105] Затем водную смесь углеводородов и твердых частиц перекачивают в контейнер 201 с помощью, например, шламового насоса 222 или другого насоса или конвейера, способного перемещать смеси твердых/жидких веществ. Следует понимать, что в других вариантах реализации изобретения смесь углеводородов и твердых частиц может быть добавлена непосредственно в контейнер.
[0106] При нахождении в контейнере 201 водная смесь углеводородов и твердых частиц смешивается и перемешивается с помощью мешалки. Мешалка может содержать физический элемент, который перемещается через водную смесь 203 углеводородов и твердых частиц. В этом случае мешалка 209 содержит сопло для воды, которое перемешивает водную смесь углеводородов и твердых частиц с использованием направленного потока воды. Вода для направленного потока воды может поступать из того же источника 223 воды (или нет), который используется для введения воды в бункер 221.
[0107] После поступления водной смеси 203 углеводородов и твердых частиц внутрь контейнера 201, на нее воздействуют последовательностью ударных волн, создаваемых за счет образования плазменной дуги между двумя электродами 202a, b. Кроме того, расширение пузырьков после создания плазменной дуги вызывает звуковую волну для прохождения наружу из пузырька. Эти сверхзвуковые и звуковые волны взаимодействуют с водной смесью 203 углеводородов и твердых частиц для отделения твердых частиц от углеводородов.
[0108] Следует понимать, что в других вариантах реализации изобретения может иметься несколько пар электродов. Например, в одном варианте реализации изобретения может иметься несколько катодов и несколько соответствующих анодов. В другом варианте реализации изобретения может иметься несколько стрежневых катодов, связанных с одним пластинчатым анодом. Следует понимать, что в других вариантах реализации изобретения может иметься несколько контейнеров с соответствующими парами электродов. Например, система может представлять собой модульную систему, которая может находиться под централизованным управлением. Специалистам в данной области будут очевидны другие варианты реализации изобретения.
[0109] Кроме того, следует понимать, что система может быть адаптирована для использования различных генераторов ударных волн. Например, одна или более ударных волн могут быть созданы с использованием проволочного мостика или ионного мостика между выводами.
[0110] Затем, после разделения, чистые углеводороды 242 всплывают поверх водной фазы, и могут быть извлечены (например, в отдельный резервуар 251 для углеводородов) для продажи в существующем состоянии или для дальнейшей обработки. Твердые частицы 241а оседают на дно контейнера (или остаются во взвешенном состоянии в водной фазе).
[0111] После того, как твердые частицы были удалены из нижней части контейнера, фракции твердых частиц могут быть отделены с использованием комбинации одного или более из элементов: сепаратора 226 песка; и вибрационного песчаного сита (не показано). Сепаратор песка 226 может использовать центробежные силы для отделения песка от воды. Дополнительное количество воды (например, из источника 223 воды) может быть добавлено для дополнительной очистки песка, подлежащего отделению.
[0112] Очищенные и обработанные твердые частицы 241b (например, песок) могут быть приспособлены в качестве, например, расклинивающих агентов в операциях гидроразрыва пласта. В качестве альтернативы песок может быть достаточно чистым, чтобы быть классифицированным как неопасные отходы, и поэтому может быть утилизирован на обычной свалке или использован на площадке в качестве строительного материала или возвращен в окружающую среду.
[0113] Следует отметить, что центральный источник воды может иметь ионизатор 225. Ионизатор может быть пассивным каталитическим элементом, содержащим поливалентные металлы (например, медь), который создает гидроксильные ионы в воде, протекающей при определенных давлениях (давления могут вызывать реакции акустической кавитации). Это может увеличить гидрофобность нефти в воде. Это может облегчить снимание отделенного слоя углеводородов с поверхности воды. В некоторых вариантах реализации изобретения обработка воды может включать в себя технологию очистки воды, выполненную с возможностью повторного использования воды в этом процессе. Например, вода может быть повторно использована после использования в смеси или в качестве чистящего средства для отделенного песка. Этот повторно используемый песок может быть очищен и возвращен в источник воды и/или повторно использован в данном процессе.
[0114] Следует понимать, что устройство и/или система разделения может быть частью стационарной установки разделения (например, как часть буровой нефтяной вышки и/или нефтеперерабатывающего завода) или частью мобильного устройства (например, судна, поезда или устройства на базе грузового автомобиля).
Вариант реализации изобретения с проволочным мостиком
[0115] На ФИГ. 3 показан другой способ создания ударных волн в смеси с использованием проволочного мостика. Проволочный мостик представляет собой относительно тонкую проволоку или нить накала высокого сопротивления, выполненную с возможностью взрыва при достаточно большом токе, проходящем через проволочный мостик. Такой проволочный мостик также известен как детонатор с взрывающимся проволочным мостиком.
[0116] В этом случае устройство аналогично тому, которое показано на ФИГ. 1а.
[0117] На ФИГ. 3 показан вариант реализации сепараторного устройства 300 для отделения углеводородов от твердых частиц в водной смеси 303 углеводородов и твердых частиц, содержащего:
контейнер 301 (например, тигель или бак) для размещения водной смеси углеводородов и твердых частиц;
генератор ударных волн, содержащий пару 302 выводов, имеющую положительный вывод 302b и отрицательный вывод 302b,
импульсный источник 304 питания для подачи импульса напряжения между положительными и отрицательными электродами,
при этом устройство выполнено таким образом, что при подаче импульса напряжения к положительному и отрицательному электрическим выводам в смеси создается ударная волна для способствования разделению компонентов смеси.
[0118] В этом случае положительный вывод соединен с землей 306. Другой вывод выполнен с возможностью подачи между выводами напряжения 2-5 кВ (или больше). Следует понимать, что к электродам могут быть приложены другие напряжения. Например, выводы могут иметь напряжение одной и той же величины (по отношению к земле), но противоположной полярности. Некоторые варианты реализации изобретения могут быть выполнены с возможностью изменения выходного напряжения от источника питания.
[0119] В отличие от предыдущего варианта реализации изобретения, в котором пространство между выводами было незамкнутым контуром, в данном случае цепь между выводами замкнута с помощью проволочного мостика 362. Проволочный мостик 362 может быть выполнен из металла, такого как золото, платина, сплавы золота с платиной, медь, серебро, нержавеющая сталь марки 302, железо или сплавы железа. Проволока может быть 0,03-0,6 мм в диаметре (например, 0,038 мм или 0,02 дюйма).
[0120] Когда импульс напряжения подается на проволочный мостик 362, то этот проволочный мостик 362 выполнен с возможностью взрыва и создания ударной волны. Взрыв может быть вызван нагревом проволоки при прохождении тока, пока не будет достигнута температура плавления. Скорость нагрева достаточно высока, чтобы жидкий металл не успевал стекать и нагревался дальше, пока не испарится. Во время этой фазы электрическое сопротивление узла проволочного мостика возрастает. Затем в парах металла образуется электрическая дуга, что приводит к: падению электрического сопротивления и резкому росту тока, быстрому дальнейшему нагреванию паров ионизированного металла и образованию ударной волны. В любом случае следует понимать, что использование проволочного мостика 362 может обеспечить использование более низких напряжений (например, 2-5 кВ или 4-5 кВ) для создания ударной волны.
[0121] После того как взрыв проволочного мостика образовал ударную волну (и, возможно, пузырька и звуковой волны), выводы больше не закорочены проволочным мостиком. Для способствования созданию повторных ударных волн некоторые варианты реализации изобретения могут содержать механизм 361 замены проволочного мостика, выполненный с возможностью замены проволочного мостика после каждой ударной волны. Например, выводы могут содержать приемные зажимы для приема и электрического соединения со сменным проволочным мостиком, когда он устанавливается в нужное положение с помощью устройства для позиционирования проволочного мостика. Механизм замены проволочного мостика может содержать любое механическое устройство, которое выдавливает или вводит проволоку до тех пор, пока зазор между выводами не будет замкнут. Например, механизм замены проволочного мостика может содержать шаговые электродвигатели или линейный исполнительный механизм, выполненный с возможностью перемещения сменного проволочного мостика в рабочее положение.
[0122] В этом случае импульсный источник 304 питания содержит выключатель 304b питания искрового зазора и микроконтроллер 304а. Использование выключателя питания искрового зазора обеспечивает наличие быстро нарастающего переднего фронта профиля импульса. Микроконтроллер выполнен с возможностью создания ряда импульсов (например, с 5-секундными интервалами или быстрее). Следует понимать, что последовательность импульсов можно регулировать с помощью других схем или процессоров (например, микропроцессора, специализированной интегральной схемы (application-specific integrated circuit, ASIC) или многоядерного процессора).
[0123] Как и в варианте реализации изобретения, показанном на ФИГ. 1а, контейнер в данном случае содержит: первое впускное отверстие 307 для введения смеси нефти и твердых частиц в контейнер 301; выпускное отверстие 308 для удаления отделенной нефти из верхней части контейнера; и второе впускное отверстие 309 для введения воды в контейнер. В этом случае второе впускное отверстие проходит в контейнер, и расположено так, чтобы обеспечить поток воды в объем контейнера, в котором будет создаваться искровой зазор. В действительности, это впускное отверстие действует как мешалка для содержимого контейнера, благодаря перемешиванию содержимого посредством потока текучей среды.
Вариант реализации изобретения с возбуждаемой ионами плазменной дугой
[0124] На ФИГ. 4 показан другой способ создания ударных волн в смеси с использованием возбуждаемой плазменной дуги. Создание плазменной дуги 410 в этом случае облегчается путем введения проводящей жидкости (например, ионного раствора, такого как соль (например, раствор NaCI, KCl)) между выводами генератора ударных волн, что может облегчить возникновение плазменной дуги, без необходимости в изменении проводимости всего объема содержимого, подлежащего обработке, способствуя более выгодному для экологии результату для действий после обработки.
[0125] В этом случае устройство аналогично тому, которое показано на ФИГ. 1а.
[0126] На ФИГ. 4 показан вариант реализации сепараторного устройства 400 для отделения углеводородов от твердых частиц в водной смеси 403 углеводородов и твердых частиц, содержащего:
контейнер 401 (например, тигель или бак) для размещения водной смеси углеводородов и твердых частиц;
генератор ударных волн, содержащий пару 402 выводов, имеющую положительный вывод 402b и отрицательный вывод 402b,
импульсный источник 404 питания для подачи импульса напряжения между положительными и отрицательными электродами,
при этом устройство выполнено таким образом, что при подаче импульса напряжения к положительному и отрицательному электрическим выводам 402а, b в смеси создается ударная волна для способствования разделению компонентов смеси.
[0127] В этом случае, устройство содержит ионный мостиковый инжектор 461, выполненный с возможностью введения объема ионного раствора между положительным и отрицательным электрическими выводами генератора ударных волн таким образом, что при подаче к смеси импульса напряжения между выводами и через объем ионного раствора 463, который подает ударную волну к смеси, создается плазменная дуга. В этом случае ионный мостиковый инжектор содержит резервуар для содержания определенного количества ионного раствора; сопло, расположенное внутри контейнера 401 для направления ионной текучей среды между выводами 402а, b; трубопровод текучей среды для соединения сопла с резервуаром; и дозирующий насос (например, шприц, поршневой насос, диафрагму или перистальтический насос), выполненный с возможностью доставки заданного количества ионного раствора из резервуара между выводами 402а, b через сопло.
[0128] В этом случае ионный мостиковый инжектор выполнен с возможностью многократного введения объема ионного материала для обеспечения создания с помощью генератора ударных волн последовательных ударных волн. Иными словами, дозирующий насос выполнен с возможностью впрыскивания определенного количества ионного раствора между выводами 402а, b непосредственно перед каждым импульсом напряжения. Это помогает гарантировать, что ионный раствор концентрируется в объеме 463 между выводами, и, таким образом, способствует образованию плазменной дуги, без необходимости в увеличении концентрации ионов в объемной смеси. Иными словами, синхронизация впрыска ионного материала относительно импульса напряжения такова, что ионный материал вводится между выводами, и не успевает рассеяться в момент подачи импульса напряжения на выводы 402а, b.
[0129] Положительный вывод в данном случае соединен с землей 406. Это позволяет встраивать его в камеру таким образом, что положительный вывод находится в той же плоскости, что и внутренняя поверхность (например, нижняя поверхность) контейнера. Это может облегчать удаление содержимого контейнера (например, отделенный песок, вода и/или нефть).
1
1
1
3
2
4
4
4
[0130] Расстояние между выводами в данном случае составляет / дюйма (примерно 1,3 см). Следует понимать, что в других вариантах реализации изобретения расстояние между выводами может находиться примерно между / и 1 дюймом (примерно 0,6-2,5 см) или между /, и / дюйма (примерно 0,6-1,9 см).
[0131] В этом случае анод соединен с землей 406. Другой вывод выполнен с возможностью подачи между выводами напряжения 2-5 кВ (или больше).
[0132] В этом случае импульсный источник 404 питания содержит выключатель 404b питания искрового зазора и микроконтроллер 404а. Использование выключателя питания искрового зазора обеспечивает наличие быстро нарастающего переднего фронта профиля импульса. Микроконтроллер выполнен с возможностью создания ряда импульсов (например, с 5-секундными интервалами или быстрее). Следует понимать, что последовательность импульсов можно регулировать с помощью других схем или процессоров (например, микропроцессора, специализированной интегральной схемы (application-specific integrated circuit, ASIC) или многоядерного процессора).
[0133] Импульсный источник питания выполнен с возможностью подачи ряда импульсов к образцу (в данном случае 1 импульс подается через каждые 5 сек). В этом случае, передний фронт импульса напряжения составляет 2 мкс.
[0134] Как и в варианте реализации изобретения, показанном на ФИГ. 1а, контейнер в данном случае содержит: первое впускное отверстие 407 для введения смеси нефти и твердых частиц в контейнер 401; выпускное отверстие 408 для удаления отделенной нефти из верхней части контейнера; и второе впускное отверстие 409 для введения воды в контейнер. В этом случае второе впускное отверстие проходит в контейнер, и расположено так, чтобы обеспечить поток воды в объем контейнера, в котором будет создаваться искровой зазор. В действительности, это впускное отверстие действует как мешалка для содержимого контейнера, благодаря перемешиванию содержимого посредством потока текучей среды.
[0135] Следует понимать, что использование проволочного мостика или ионного мостика может помочь управлению ударной волной и созданию большего количества последовательных ударных волн.
Контейнер с наклонным основанием
[0136] На ФИГ. 5 показан контейнер 501 и узел выводов 502а, 502b для еще одного варианта 500 реализации. В этом случае основание контейнера 501 наклонено под углом для обеспечения скольжения отделенных твердых частиц в направлении клапана 575 (или другого выпускного отверстия), чтобы обеспечить извлечение отделенных твердых частиц. В этом случае, один из выводов 502b находится в наклонном основании (или нижней поверхности). В этом случае нижний вывод 502b и верхний вывод 502а окружен изолирующим слоем 572а, 572b. Следует понимать, что в других вариантах реализации вывод может не быть расположен в наклонном основании. В других вариантах реализации выводы могут быть расположены на боковых стенках контейнера.
Вариант реализации изобретения с одним шнеком
[0137] На ФИГ. 6а показан вариант реализации сепараторного устройства 600 для отделения углеводородов от твердых частиц в водной смеси углеводородов и твердых частиц. На ФИГ. 6b показан вид сепаратора в поперечном разрезе, в положении, указанном линией А-А.
[0138] В этом случае устройство содержит:
контейнер 601 (в данном случае закрытую трубу) для размещения водной смеси углеводородов и твердых частиц;
генератор ударных волн, содержащий пару 602 выводов, имеющую положительные выводы 102b: 1-12 и отрицательный вывод 602а; и
импульсный источник питания, выполненный с возможностью подачи импульса напряжения между положительными и отрицательными электрическими выводами 602а, b,
при этом устройство выполнено таким образом, что при подаче импульса напряжения к положительному и отрицательному электрическим выводам в смеси создается ударная волна для способствования разделению компонентов смеси.
[0139] В этом случае, трубчатый контейнер содержит впускное отверстие 607 для введения продукта в контейнер 901 (например, в непрерывном режиме).
[0140] В отличие от предыдущих вариантов реализации, этот вариант реализации изобретения имеет несколько положительных электрических выводов 602b: 1-12, смонтированных на стенке контейнера. Следует понимать, что электроды, смонтированные на стенках, могут быть размещены в любом месте в охвате корпуса, и они образуют массив.
[0141] Отрицательный вывод 602а в этом случае составляет часть шнека. В частности, виток шнека содержит отрицательный вывод. Необходимо понимать, что в данном случае имеется зазор между витком шнека для обеспечения «искрового промежутка» между положительными и отрицательными выводами. Следует понимать, что вывод шнека может иметь меньшую разность потенциалов относительно земли, чем выводы, смонтированные на стенке, для лучшего управления искровым разрядом. Шнек или части шнека, или витки шнека могут быть выполнены из материалов, более устойчивых к искровым разрядам (например, вольфрам или сплавы вольфрама).
3
3
[0142] Шнек в данном случае имеет диаметр 9 дюймов (228,6 мм). Шнек может быть выполнен с возможностью перемещения 0,5 м/ч шлама с плотностью 1500-2100 кг/м (водная смесь углеводородов и твердых частиц) при загрузке контейнера примерно 95%. Материал может иметь время удержания в контейнере в пределах от 10 до 30 минут (например, 20 мин). Следует понимать, что, поскольку система является масштабируемой, возможны другие конфигурации конструкции (например, иные диаметр, длина, угол наклона спирали шнека и т.д.), в зависимости от желаемых результатов. Устройство в этом случае, как правило, изготавливают из нержавеющей стали.
[0143] В этом случае устройство выполнено с возможностью управления синхронизацией импульсов с целью запуска импульса для конкретных положительных электродов, когда виток шнека непосредственно примыкает к указанному положительному электроду. Например, в варианте, показанном на ФИГ. 6а, электроды 602b: 2, 4, 6, 8, 10 и 12 возбуждаются для подачи импульса к соседним участкам отрицательного электрода 602а. На более позднем этапе, по мере вращения шнека, части шнекового электрода будут выровнены с электродами 602b: 1, 3, 5, 7, 9 и 11, и в этот момент эти электроды будут возбуждаться. Следует понимать, что угол наклона шнека и расстояние между боковыми электродами может быть регулируемым для изменения количества пар электродов, выровненных в конкретный момент времени. Кроме того, приводной вал может быть регулируемым, чтобы управлять моментом выравнивания шнекового электрода с боковыми электродами. Например, шнек может быть приостановлен, чтобы иметь повторяющиеся удары между электродами, когда шнек находится в неподвижном положении.
[0144] В этом случае шнековый электрод 602а приводится в действие приводным валом 631 для перемещения продукта по контейнеру и для перемешивания продукта с целью содействия разделению. В этом случае шнек и приводной вал находятся по существу в горизонтальной конфигурации. Следует понимать, что вращение шнека может быть использовано для управления потоком в контейнере. Например, шнек может работать в непрерывном режиме для поступательного перемещения смеси через контейнер с постоянной скоростью. Шнек может быть выполнен с возможностью приостановки для ограничения потока. Шнек может быть запущен в обратном режиме для создания дополнительного перемешивания (поток по направлению к выпускному отверстию все еще может происходить в зазоре под шнеком). Эти режимы могут быть использованы взаимозаменяемо. Например, в зависимости от определяемых соотношений между различными компонентами в смеси и/или рабочих условий (например, температуры), могут использоваться различные режимы.
[0145] Шаг витков шнека и диаметр шнека может быть или не быть постоянным по всей его длине (например, от впускного отверстия до выпускного отверстия). Кроме того, в вертикальном или горизонтальном, периодическом или непрерывном режиме поток текучей среды может быть введен в нижнюю часть, что может помочь промывке песка и флотации на поверхности нефти/битума. Например, введенная вода может образовывать псевдоожиженный слой, который удерживает твердые частицы во взвешенном состоянии, или рассеиватель воздуха вводит атмосферный воздух под давлением для образования пузырьков, которые способствуют флотации.
[0146] Следует понимать, что шнековое устройство может работать под любым углом от горизонтали (ноль градусов) до вертикали (90 градусов от горизонтали). При работе в вертикальном режиме зазор между витками шнека и стенкой контейнера может быть меньше.
[0147] Следует понимать, что в других вариантах реализации изобретения шнек и электроды могут представлять собой отдельные компоненты. В других вариантах реализации изобретения электрод может быть выполнен в другой форме для обеспечения перемешивания и/или поступательного перемещения смеси. Например, устройство может содержать винт, крыльчатку, расположенный под углом или прямой стержень, или лопастное колесо, которое может содержать один или более электродов или не содержать их. Устройство может содержать множество наклонных лопастей, соединенных с общим валом при различных осевых положениях.
[0148] В этом случае, в то время как смесь перемещается вдоль контейнера, вода может быть добавлена через одно или более разбрызгивающих сопел или отверстий 632a-d. Это позволяет регулировать водный компонент смеси в различных точках в осевом направлении контейнера 601. Такой вариант также может быть использован для очистки/удаления материала (например, битума) из шнека.
[0149] Потенциальные преимущества данной конструкции могут включать в себя один или более из следующих положительных эффектов:
может быть обеспечена непрерывная обработка и поток материалов, и уменьшены капитальные затраты по сравнению с периодической обработкой;
коэффициент формы может обеспечить упрощение конструкции электродов за счет использования витков шнека в качестве отрицательного электрода;
может быть повышено качество продукции (например, путем перемешивания) и может быть обеспечена удобная оптимизация системы, и
может быть легко выполнено масштабирование.
[0150] В дополнение к контейнеру, содержащему пару выводов, устройство в этом случае содержит объемный сепаратор для обеспечения окончательного разделения компонентов после обработки ударной волной. В этом случае объемный сепаратор получает обработанную смесь из выпускного отверстия контейнера. В этот момент через впускное отверстие 680 для воды может быть подано дополнительное количество воды.
[0151] Из-за различия в плотности песка по сравнению с водной фазой, песок быстро оседает на дно, откуда может быть удален через выпускное отверстие 681 для песка.
[0152] После удаления песка оставшийся продукт содержит углеводороды и воду. Благодаря процессу очистки нефть может формировать мелкие капли, образующие эмульсию с водой. Для объединения капель нефти объемный сепаратор может содержать коагулятор 682. В этом случае коагулятор представляет собой полипропиленовый коагулятор 682, содержащий матрицу из полипропиленовых волокон, предназначенных для объединения капель нефти. Могут быть использованы другие коагуляторы. Благодаря образованию более крупных капель нефти, эти капли будут всплывать вверх из-за различий в плотности. Оттуда нефтеуловитель 683 направляет нефть в верхнюю часть к выпускному отверстию для нефти. Оставшаяся вода уходит на дно, откуда удаляется через выпускное отверстие 685 для воды.
Вариант реализации с закрытым сдвоенным шнеком
[0153] На ФИГ. 7а показан вариант реализации сепараторного устройства 700 для отделения углеводородов от твердых частиц в водной смеси углеводородов и твердых частиц. На ФИГ. 7b показан вид сепаратора в поперечном разрезе. На ФИГ. 7 с показан вид в продольном разрезе части сепаратора, выделяющий расположение пар выводов.
[0154] В этом случае устройство содержит:
контейнер 701 (в данном случае продолговатый корпус, содержащий два шнека) для размещения в нем водной смеси углеводородов и твердых частиц;
генератор ударных волн, содержащий пару 702 выводов, имеющую положительный вывод 702b и отрицательный вывод 702а; и
импульсный источник 704 питания, выполненный с возможностью подачи импульса напряжения между положительными и отрицательными электрическими выводами 702а, b,
при этом устройство выполнено таким образом, что при подаче импульса напряжения к положительному и отрицательному электрическим выводам в смеси создается ударная волна для способствования разделению компонентов смеси.
[0155] В этом случае, трубчатый контейнер содержит впускное отверстие 707 для введения продукта в контейнер 701 (например, в непрерывном режиме). Как указано выше, контейнер 701 содержит два шнека 791, 792. Контейнер 701 выполнен с возможностью размещения двух шнеков 791, 792 с витками вокруг большей части окружности витков (например, 270°, как показано на ФИГ. 7b). Это помогает гарантировать перемещение витками по существу всего материала в контейнере по продольной оси контейнера. Однако в этом случае существует область 793 взаимодействия между двумя шнеками с витками, в которой контейнер не повторяет форму окружностей витков шнека. Эта область взаимодействия 793 проходит между нижними половинами двух витков 791, 792 шнека и содержит пары 702а, b, выводов, которые расположены в продольном направлении вдоль оси контейнера. Следует понимать, что область взаимодействия между шнеками представляет собой область, в которой создается ударная волна; однако влияние ударной волны может распространяться за пределы этой области в объемы, захватываемые витками шнека.
[0156] В случае использовании сил гравитации имеется дозирующая задвижка 771, находящаяся между контейнером 701 и впускным отверстием 707, которая управляет поступлением материала в сдвоенные шнеки с точными значениями расхода. Еще один вариант реализации изобретения (как показано на ФИГ. 7d) обеспечивает перемещение и соединение впускного отверстия 707 с контейнером 701 посредством системы насоса 773 и напорного трубопровода 774, которая, кроме того, обеспечивает точное дозирование материала в контейнер 701.
[0157] Шнеки в этом случае имеют противоположную направленность и выполнены с возможностью вращения синфазно в противоположных направлениях, как показано изогнутыми стрелками на ФИГ. 7b. Это поддерживает симметрию в течение цикла вращения вокруг зеркальной плоскости, выровненной с продольной осью контейнера. В частности, поскольку шнеки выполнены с возможностью вращения таким образом, что, когда внутренние части шнеков движутся вверх, твердый материал в нижней части двух шнеков продвигается в направлении области 793 взаимодействия между двумя шнеками. Это помогает гарантировать то, что ударные волны, создаваемые внутри области взаимодействия, более эффективно контактируют с компонентами 798 твердого песка и углеводородов в смеси. Жидкие компоненты 799 смеси будут течь более легко, и, таким образом, будут формировать более равномерный уровень внутри контейнера. Они могут приводиться в движение не синфазно, как не зеркальные отображения.
3
3
[0158] Каждый шнек в данном случае имеет диаметр 9 дюймов (228,6 мм). Каждый шнек может быть выполнен с возможностью перемещения 0,5 м/ч шлама с плотностью 1500-2100 кг/м (водная смесь углеводородов и твердых частиц) при загрузке контейнера примерно 95%. Материал может иметь время удержания в контейнере в пределах от 10 до 30 минут (например, 20 мин). Следует понимать, что, поскольку система является масштабируемой, возможны другие конфигурации конструкции (например, иные диаметр, длина, угол наклона спирали шнека и т.д.), в зависимости от желаемых результатов. Устройство в этом случае, как правило, изготавливают из стали (например, нержавеющей стали).
[0159] В отличие от предыдущего варианта реализации изобретения, витки шнеков не являются одним из выводов (хотя другие варианты реализации могут быть выполнены с возможностью выполнения витка как одного из выводов). В данном случае электроды 702а, 702b расположены в зоне взаимодействия между витками 792, 793 шнеков, как показано на ФИГ. 7b и 7с. В данном случае, отрицательный (или заземленный) вывод 702а представляет собой удлиненный электрод, расположенный над точечным положительным выводом 702b. Отрицательный электрод установлен на мостиковой конструкции, которая соединяет электрод с импульсным источником 704 питания. Следует понимать, что может существовать множество электродов, расположенных в продольном направлении вдоль зоны взаимодействия. Следует понимать, что сам контейнер может быть заземлен.
[0160] В этом случае шнеки 791, 792 приводятся в действие приводным валом для перемещения продукта по контейнеру и для перемешивания продукта с целью содействия разделению. В этом случае шнек и приводной вал находятся по существу в наклонной конфигурации. Кроме того, шнеки могут работать в положении под углом. Следует понимать, что вращение каждого шнека может быть использовано для управления потоком в контейнере. Например, каждый шнек может работать в непрерывном режиме для поступательного перемещения смеси через контейнер с постоянной скоростью. Шнек может быть выполнен с возможностью приостановки для ограничения потока. Каждый шнек может быть запущен в обратном режиме для создания дополнительного перемешивания (поток по направлению к выпускному отверстию все еще может происходить в зазоре под шнеком). Шнеки могут иметь одинаковую или различную направленность. Шнеки могут быть выполнены с возможностью синфазного вращения. Шнеки могут быть выполнены с возможностью вращения с одинаковой скоростью не синфазно. Это может вызвать поперечное возвратно-поступательное движение материала в зоне взаимодействия между двумя витками. Эти режимы могут быть использованы взаимозаменяемо. Например, в зависимости от определяемых соотношений между различными компонентами в смеси и/или рабочих условий (например, температуры), могут использоваться различные режимы.
[0161] Шаг витков шнека и диаметр шнека может быть или не быть постоянным по всей его длине (например, от впускного отверстия до выпускного отверстия). Кроме того, в вертикальном или горизонтальном, периодическом или непрерывном режиме поток текучей среды может быть введен в нижнюю часть, что может помочь промывке песка и флотации на поверхности нефти/битума. Например, введенная вода может образовывать псевдоожиженный слой, который удерживает твердые частицы во взвешенном состоянии.
[0162] Следует понимать, что шнековое устройство может работать под любым углом от горизонтального (ноль градусов) до вертикального (90 градусов от горизонтали). При работе в вертикальном режиме зазор между витками шнека и стенкой контейнера может быть меньше.
[0163] Следует понимать, что этот вариант реализации изобретения может иметь некоторые из дополнительных элементов, описанных по отношению к варианту реализации изобретения, показанному на ФИГ. 6 (например, дополнительные сопла для воды и т.д.).
Система непрерывного разделения
[0164] Использование вариантов реализации изобретения, описанных в связи с ФИГ. 6а и 7а, позволяет использовать этот способ на постоянной основе. Это может ускорить процесс. На ФИГ. 8 показан вариант реализации изобретения, выполненный с возможностью обеспечения непрерывного разделения различных компонентов водной смеси углеводородов и твердых частиц.
[0165] В этом случае сепаратор содержит сепаратор на базе шнека 800, который выполнен с возможностью приема водной смеси углеводородов и твердых частиц через впускное отверстие 807. Затем шнек перемещает смесь, тогда как сепаратор подает ударные волны (создаваемые посредством контроллера 804) к смеси для разделения смеси на составные компоненты.
[0166] Чтобы обеспечить макроскопическое разделение отделенных компонентов, отделенные компоненты поступают в отстойник 896. Когда углеводороды отделены от твердых частиц, углеводороды всплывают в верхнюю часть контейнера, поскольку имеют меньшую плотность, чем вода. В противоположность этому, твердые частицы, которые являются более плотными, чем вода, оседают на дно отстойника 896. Это может облегчить непрерывную обработку, так как твердые частицы могут быть извлечены из нижней части контейнера, а углеводороды из верхней части при добавлении новой смеси углеводородов с твердыми частицами в контейнер. Уровень впускного отверстия 807 может быть по меньшей мере на такой же высоте, как уровень жидкости в отстойнике 896, чтобы помочь удерживать жидкость в системе.
[0167] В этом случае, нефть, флотирующую на поверхности в отстойнике, извлекают в резервуар-накопитель 851.
[0168] Песок, осевший на дно отстойника, извлекают с помощью сепаратора 826 песка, который имеет второй шнек. Как и в варианте реализации изобретения, показанном на ФИГ. 2, в этом варианте реализации изобретения в сепаратор 826 песка может быть добавлено дополнительное количество воды для дальнейшей очистки песка, подлежащего отделению.
[0169] Следует понимать, что сепаратор 826 песка может обеспечивать удаление песка и воды из системы (т.е. так, что система обрабатывает исходную смесь за один проход) или обеспечивать возвращение некоторых материалов (например, жидкого компонента) во впускное отверстие 807 с целью обеспечения работы системы в режиме нескольких проходов.
Вариант реализации сдвоенного шнека с парами плоских выводов
[0170] На ФИГ. 9а показана альтернативная конфигурация 902:а пары выводов. В этом случае положительный вывод 902а: а и отрицательные выводы 902b:а, 902с:а расположены в одной плоскости, разделенные изоляторами 902х:а, 902у:а. Такое расположение может считаться парой плоских или кнопочных выводов. Путем изменения напряжения на электроде и толщины изолятора свойства разряда дуги 910 могут регулироваться в водной смеси вблизи электрода. Следует понимать, что один из электродов в паре может выступать за пределы изоляционного материала. Например, в варианте реализации изобретения, показанном на ФИГ. 9а, центральный электрод выступает за пределы изоляционного материала. Это может обеспечить образование дуги тока, создающей ударную волну.
[0171] Когда на выводах имеется заряд, заряд не может проходить через изолятор, так что выводы разряжаются 910 в смесь на неизолированных концах выводов внутри смеси. Это создает ударную волну для разделения смеси на составляющие компоненты. В этом случае «отрицательные» выводы 902b:а, 902с:а соединены с землей.
[0172] На фигурах 9b и 9с показаны виды в перспективе двух возможных конфигураций пар плоских выводов. Пары плоских выводов могут быть осесимметричными относительно центрального вывода (образуя форму кнопки, как показано на ФИГ. 9b). Например, как показано на ФИГ. 9а, положительный вывод 902а:а является центральным выводом, окруженным частью 902х:а изолятора, и отрицательным выводом 902b:а.
[0173] Пары плоских выводов могут образовывать протяженный массив с множеством положительных электродов 902а:а, 902а:е и отрицательных электродов 902b:а, 902с:а, 902е:а, разделенных частями изолятора 902w:a, 902х:а, 902у:а, 902z:a, как показано на ФИГ. 9с. Следует понимать, что могут быть использованы другие двумерные плоские массивы.
[0174] Преимущество этой конструкции вывода заключается в том, что вывод может находиться на одном уровне с поверхностью контейнера. Это может облегчить чистку и предотвратить влияние выводов на движущиеся части в контейнере (например, шнеки или мешалки).
[0175] На ФИГ. 9d показан вид в поперечном разрезе одного варианта реализации сепараторного устройства 900 для отделения углеводородов от твердых частиц в водной смеси углеводородов и твердых частиц, в котором использованы пары выводов, описанных со ссылкой на фигуру 9а.
[0176] В этом случае устройство содержит:
контейнер 901 (в данном случае продолговатый корпус, содержащий два шнека) для размещения водной смеси углеводородов и твердых частиц;
генератор ударных волн, содержащий множество пар 902:1, 902:а выводов, имеющих положительный и отрицательный электрический вывод, и
импульсный источник 904 питания, выполненный с возможностью подачи импульса напряжения между положительными и отрицательными электрическими выводами 902а, b,
при этом устройство выполнено таким образом, что при подаче импульса напряжения к положительному и отрицательному электрическим выводам в смеси создается ударная волна для способствования разделению компонентов смеси.
[0177] В данном случае контейнер 901 содержит два шнека 991, 992. В отличие от варианта реализации изобретения, показанного на ФИГ. 7, в этом случае контейнер 901 выполнен с возможностью содержания двух витков 991, 992 шнека только вокруг нижней части окружности витков (например, около 90°, как показано на ФИГ. 9d). Варианты реализации изобретения с сужающимися стенками контейнера (например, в форме «V») могут охватывать меньше чем 90° шнека. Ограждение нижней части витка шнека снаружи помогает гарантировать перемещение витками по существу всего материала в контейнере по продольной оси контейнера.
[0178] Кроме того, в отличие от варианта реализации изобретения, показанного на ФИГ. 7, стенки контейнера продолжены вверх (например, в этом случае, по вертикали, хотя также возможны наклонные стенки), таким образом, что существует значительный объем жидкости над витками шнека. Указанный дополнительный «верхний» или «нависающий» объем жидкости может предотвращать повторное введение флотирующей отделенной нефти/битума в смесь по мере вращения шнека. В этом варианте реализации изобретения основным назначением шнеков является транспортировка, а не перемешивание, так как будет использоваться низкая частота вращения.
[0179] В данном случае существует область 993 взаимодействия между двумя шнеками с витками, в которой дно контейнера не повторяет форму окружностей витков шнека. Эта область взаимодействия 993 проходит между нижними половинами двух витков 991, 992 шнека и содержит противоположные пары 902а:1, 902b:1 выводов, которые расположены в продольном направлении вдоль оси контейнера. Противоположные пары выводов расположены таким образом, что смесь может проходить непосредственно между положительными и отрицательными выводами. Следует понимать, что область взаимодействия между шнеками представляет собой область, в которой создается ударная волна; однако влияние ударной волны может распространяться за пределы этой области в объемы, захватываемые витками шнека.
[0180] В дополнение к противоположной паре выводов 902:1, этот вариант реализации изобретения содержит массив пар плоских выводов 902:а (десять пар плоских выводов показаны на ФИГ. 9d). Пары плоских выводов расположены вдоль нижней части контейнера напротив витков шнеков.
[0181] Шнеки в этом случае имеют противоположную направленность и выполнены с возможностью вращения синфазно в противоположных направлениях, как показано изогнутыми стрелками на ФИГ. 9d. Это поддерживает симметрию в течение цикла вращения вокруг зеркальной плоскости, выровненной с продольной осью контейнера. В частности, поскольку шнеки выполнены с возможностью вращения таким образом, что, когда внутренние части шнеков движутся вверх, твердый материал в нижней части двух шнеков продвигается в направлении области 993 взаимодействия между двумя шнеками. Это помогает гарантировать, что ударные волны, создаваемые внутри области взаимодействия, более эффективно контактируют с компонентами 998 твердого песка и углеводородов в смеси. Жидкие компоненты 999 смеси будут течь более легко, и, таким образом, будут формировать более равномерный уровень внутри контейнера. Они могут приводиться в движение не синфазно, как не зеркальные отображения.
3
3
[0182] Каждый шнек в данном случае имеет диаметр 9 дюймов (228,6 мм). Каждый шнек может быть выполнен с возможностью перемещения 0,5 м/ч шлама с плотностью 1500-2100 кг/м (водная смесь углеводородов и твердых частиц) при загрузке контейнера примерно 95%. Материал может иметь время удержания в контейнере в пределах от 10 до 30 минут (например, 20 мин). Следует понимать, что, поскольку система является масштабируемой, возможны другие конфигурации конструкции (например, иные диаметр, длина, угол наклона спирали шнека и т.д.), в зависимости от желаемых результатов. Устройство в этом случае, как правило, изготавливают из стали (например, нержавеющей стали).
[0183] Аналогично варианту реализации, показанному на ФИГ. 7, в зависимости от определяемых соотношений между различными компонентами в смеси и/или рабочих условий (например, температуры), могут использоваться различные виды шнеков.
[0184] Следует понимать, что этот вариант реализации изобретения может иметь некоторые из дополнительных элементов, описанных по отношению к варианту реализации изобретения, показанному на ФИГ. 6 (например, дополнительные сопла для воды и т.п.).
Другие варианты
[0185] Следует понимать, что варианты реализации шнеков (например, ФИГ. 7а и 9d) могут иметь различные конфигурации. Например, витки шнека могут представлять собой ленточные витки (например, для использования в очень густых, вязких смесях). Шнек может быть выполнен без вала.
[0186] Согласно другим вариантам, выводы могут быть размещены на корпусе или контейнере в любом пространственном массиве. Например, выводы могут находиться или не находиться на одной линии. Пространственное разнесение между соседними электродами может быть различным.
[0187] В варианте реализации изобретения с множеством пар выводов энергетическое воздействие (например, по принципу подачи импульсов) вдоль длины шнеков может быть не линейным, а нормально распределенным, смещенным влево или вправо, или быть бимодальным для выполнения энергоэффективного разделения и очистки твердых частиц.
[0188] Поток жидкости в вышеуказанных шнеках может быть либо противоточным, либо совпадающим с направлением потока транспортировки твердых веществ в шнеках.
[0189] Шнек может работать с отрицательным углом (т.е. продвигая твердые частицы под углом вниз); с нулевым углом (горизонтальный), до положительного (под углом вверх) угла, вплоть до 90° (вертикальный).
[0190] Флотационные средства могут быть введены в любой нижней точке вдоль вертикальной длины шнека.
[0191] Следует понимать, что противоположные пары выводов могут быть использованы в любом месте за пределами объема, захватываемого витками шнека. Например, в варианте реализации изобретения, показанном на ФИГ. 9d, противоположные пары выводов могут быть использованы в зазоре между витками шнеков и стенками контейнера и/или в объеме над витками шнеков.
Дополнительное пояснение терминов
3
[0192] Углеводороды могут содержать тяжелые углеводороды, такие как битум. Тяжелые углеводороды могут быть определены как углеводороды, которые могут быть подвергнуты перегонке при температурах выше 350°С и/или имеют плотность в градусах API (American petroleum institute, Американский нефтяной институт) менее чем 22,3 (плотность более 920 кг/м). Углеводороды могут быть добыты из нефтяного пласта (углеводороды материнской породы) или могут быть введены в скважину (углеводороды нематеринской породы, такие как буровой раствор на нефтяной основе (oil-based mud, (ЭВМ) или другие буровые растворы).
3
3
[0193] Углеводороды могут содержать средние углеводороды и/или легкие углеводороды. Средние углеводороды могут быть определены как углеводороды, которые могут быть подвергнуты перегонке в диапазоне температур от 200°С до 350°С и, как правило, определенные как имеющие плотность в градусах API от 22,3 API до 31,1 API (от 870 до 920 кг/м). Легкие углеводороды могут быть определены как углеводороды, которые могут быть подвергнуты перегонке при температуре ниже 200°С, и, как правило, определенные как имеющие плотность в градусах API выше 31,1 API (меньше 870 кг/м).
[0194] Твердые частицы могут содержать буровой шлам. Твердые частицы могут содержать минералы. Следует понимать, что минералы могут содержать один или более минералов. Минерал может быть представлен химической формулой. Минералы могут образовывать часть компонента породы. Минерал может быть образован из неорганических соединений. Твердые частицы могут быть нерастворимы в воде и/или жидком углеводороде. Минералы могут содержать песок из диоксида кремния. Твердые частицы могут содержать фрагменты породы и/или терригенные отложения.
[0195] Минералы могут содержать карбонаты. Иными словами, этот метод может также использоваться в случае, в котором углеводороды находятся в карбонатном пласте (известняк или доломит). Этот метод может быть особенно подходящим для карбонатных образований, так как использование значительных количеств тепла и химических веществ с карбонатами в водной среде может вызывать вредные химические реакции в водной смеси углеводородов и твердых частиц, что может затруднять извлечение углеводородов.
[0196] Твердые частицы могут содержать одно или более из следующего: мелкодисперсный ил; среднедисперсный ил; крупнодисперсный ил; мелкодисперсный песок; среднедисперсный песок; крупнодисперсный песок; мелкий гравий; средний гравий и крупный гравий. Эти термины соответствуют размерам, определенным в международном стандарте ISO 14688-1:2002. Твердые частицы могут иметь минимальный размер, меньше чем 1/5 от расстояния между электродами. Твердые частицы могут быть более плотными, чем вода. Твердые частицы могут быть достаточного размера и плотности, так что они оседают на дно водной фазы после отделения от углеводородов.
[0197] Импульсный источник питания высокого напряжения может рассматриваться как источник питания, выполненный с возможностью создания импульса напряжения с пиковым напряжением выше 17 кВ. Импульсный источник питания среднего напряжения может рассматриваться как источник питания, выполненный с возможностью создания импульса напряжения с пиковым напряжением выше 5-12 кВ.
[0198] Хотя настоящее изобретение было описано и проиллюстрировано в отношении предпочтительных вариантов реализации и предпочтительных вариантов использования, оно не должно ими ограничиваться, так как в нем могут быть сделаны модификации и изменения, которые полностью подпадают под предполагаемый объем действия настоящего изобретения, как понятно специалистам в данной области техники.