Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА И СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

Область техники

Данная заявка относится к фракционному отделению и, в частности, к системам и способам фракционного отделения газовой смеси, содержащей диоксид углерода.

Уровень техники

Нефтяная скважина обычно забирает приблизительно 30% нефти из подземного нефтяного резервуара во время фазы первичной добычи. Дополнительные 20% нефти могут быть извлечены применением технологий вторичной добычи, например заводнением, которое повышает горное давление. Повышенное извлечение нефти (“EOR”) обеспечивает технология третичной добычи, приводящая к извлечению дополнительных 20% и более, нефти из подземных резервуаров.

В течение процесса EOR в подземный нефтяной резервуар вводят большие количества газа, тем самым, принудительно извлекая дополнительную нефть из скважины. В качестве EOR газа обычно используют диоксид углерода, благодаря его способности смешиваться с подземной нефтью и делать нефть менее вязкой и легче поддающейся извлечению.

Большое количество инжектированного в нефтяную скважину диоксида углерода извлекается с извлекаемой нефтью. Однако извлеченный диоксид углерода обычно содержит значительные количества других компонентов, таких как водяной пар, метан, этан, пропан, бутан и пентан. Повторное использование диоксида углерода, загрязненного данными компонентами в процессе EOR, приводит к существенному снижению эффективности работы.

Существующие технологии отделения, такие как отделение аминами, отделение растворителями и отделение молекулярным ситами, являются неэффективными для отделения диоксида углерода от газового потока из нефтяной скважины из-за сравнительно высокого процента в потоке диоксида углерода. Другие технологии, такие как сжигание в кислороде, впустую растрачивают запасы углеводородов в потоке.

Соответственно, специалисты в данной области продолжают исследование и разработки в области отделения диоксида углерода от газового потока нефтяной скважины.

Сущность изобретения

В одном варианте осуществления раскрытая система отделения может включать в себя источник газовой смеси, причем газовая смесь включает в себя по меньшей мере первый компонент и второй компонент, и сепарационную установку, связанную с источником, для приема газовой смеси и по меньшей мере частичного отделения первого компонента от второго компонента, при этом сепарационная установка включает в себя по меньшей мере один вихревой сепаратор и емкость высокого давления.

В другом варианте осуществления раскрытая система вихревого разделения может включать в себя источник газовой смеси, причем газовая смесь включает в себя по меньшей мере первый компонент и второй компонент, и вихревой сепаратор, связанный с источником, при этом вихревой сепаратор выполнен с возможностью приема газовой смеси и преобразования газовой смеси в вихревой поток по меньшей мере для частичного отделения первого компонента от второго компонента.

В другом объекте раскрыта система отделения, которая включает в себя источник газовой смеси, причем газовая смесь включает в себя по меньшей мере первый компонент и второй компонент, емкость высокого давления, сообщающуюся с источником, насос, гидравлически связанный с источником, и емкостью высокого давления, при этом насос нагнетает газовую смесь в емкость высокого давления под давлением, достаточным для разделения газовой смеси по меньшей мере на жидкую фракцию и газообразную фракцию.

В другом варианте осуществления раскрыт способ вихревого разделения газовой смеси. Способ может включать в себя этапы, на которых: (1) - подают газовую смесь, имеющую по меньшей мере первый компонент и второй компонент, причем первый компонент составляет первый процент газовой смеси, (2) - направляют газовую смесь по схеме вихревого потока, причем схема вихревого потока осуществляет по меньшей мере частичное разделения первого компонента от второго компонента и (3) - забирают первую фракцию газовой смеси из схемы вихревого потока, при этом первая фракция включает в себя первый компонент и первый компонент составляет второй процент первой фракции, причем второй процент больше первого процента.

В другом варианте осуществления раскрывается способ вихревого разделения газовой смеси, который может включать в себя этапы, на которых: (1) - подают газовую смесь, включающую в себя диоксид углерода и метан, причем диоксид углерода составляет первый весовой процент газовой смеси, (2) - направляют газовую смесь по схеме.

Газовая смесь, подаваемая источником 14 газа, может включать в себя два составляющих газа или более. В первом представлении подаваемая газовая смесь может включать в себя три составляющих газа. Во втором представлении подаваемая газовая смесь может включать в себя четыре составляющих газа. В третьем представлении газовая смесь может включать в себя пять составляющих газов. В четвертом представлении газовая смесь может включать в себя шесть или более газов.

Составляющие газы газовой смеси могут быть газами при стандартной температуре и давлении (т.е. при 0°C и 1 бар). Однако специалистам в данной области техники понятно, что без отступления от объема данного изобретения температура и давление газовой смеси могут меняться по разным причинам (например, от температуры и давления в источнике 14). Предполагается присутствие жидкой и/или твердой фазы, которая проходит по системе 10, что не приводит к выходу за пределы объема данного изобретения.

В одном конкретном приложении раскрытой системы 10 источник газа 14 может быть нефтяной скважиной, а газовая смесь, подаваемая в сепарационную установку 12, может быть газовым потоком, выходящим из сепаратора нефтяной скважины для отделения газа от нефти. При обработке нефтяной скважины по способу EOR, использующему диоксид углерода, газовая смесь, полученная из газового источника 14, может быть, в первую очередь, диоксидом углерода со значительной концентрацией других составляющих, таких как водяной пар и углеводороды. Углеводородный компонент газовой смеси может также включать в себя углеводороды с длинной цепочкой, например этан, пропан, бутан и пентан.

В качестве одного примера газовая смесь, подаваемая нефтяной скважиной (источник 14), может включать в себя по меньшей мере 80% по весу диоксида углерода, причем остальное составляют другие компоненты, например водяной пар и углеводороды. В качестве другого примера газовая смесь, подаваемая нефтяной скважиной (источник 14), может включать в себя по меньшей мере 85% по весу диоксида углерода, причем остальное составляют другие компоненты, например водяной пар и углеводороды. В качестве другого примера газовая смесь, подаваемая нефтяной скважиной (источник 14), может включать в себя по меньшей мере 90% по весу диоксида углерода, причем остальное составляют другие компоненты, например водяной пар и углеводороды. В качестве еще одного примера газовая смесь, подаваемая нефтяной скважиной (источник 14), может включать в себя по меньшей мере 95% по весу диоксида углерода, причем остальное составляют другие компоненты, например водяной пар и углеводороды.

Источник 14 газа может быть в гидравлической связи с сепарационной установкой 12 посредством линии 22 гидравлической связи. Для облегчения транспортировки газовой смеси от источника 14 газа к сепарационной установке 12 по линии 22 гидравлической связи может быть предусмотрен насос 16.

При этом для управления давлением, подаваемым в сепарационную установку 12 газовой смеси, насос 16 может быть регулируемым. На данный момент специалистам в данной области техники понятно, что газовая смесь может быть принята из источника 14 газа при сравнительно высоком давлении, особенно, когда источником газа является нефтяная скважина. Таким образом, дополнительное нагнетание насосом 16 может не потребоваться.

Сепарационная установка 12 может принимать газовую смесь посредством линии 22 гидравлической связи и может отделять газовую смесь по меньшей мере на первую фракцию 23 и вторую фракцию 25. Для эффективного отделения газовой смеси по меньшей мере на первую и вторую фракции 23, 25 сепарационной установкой 12 могут быть применены различные технологии, такие как вихревой сепаратор и сжижение, которые более подробно рассмотрены ниже.

Первая фракция 23 из сепарационной установки 12 может быть отправлена по линии 24 гидравлической связи в первую емкость 18. Первая емкость 18 может быть емкостью для хранения, транспортировочным танкером или аналогичной емкостью. Из первой емкости 18 первая фракция 23 может быть отправлена по линии 28 гидравлической связи для следующих объектов применения 30. Например, когда добывают газовую смесь из нефтяной скважины и первая фракция представляет собой по существу чистый диоксид углерода, следующим объектом применения 30 может быть нефтяная скважина, такая как EOR.

Вторая фракция 25 из сепарационной установки 25 может быть отправлена по линии 26 гидравлической связи во вторую емкость 20. Вторая емкость 20 может быть емкостью для хранения, транспортировочным танкером или аналогичной емкостью. Например, когда добывают газовую смесь из нефтяной скважины и вторая фракция 25 включает в себя углеводороды, отделенные от диоксида углерода, то следующим объектом приложения 34 может быть генератор, предназначенный для превращения углеводородов в электрическую энергию (например, сжиганием).

По фиг.2 в одном варианте осуществлении раскрытой системы отделения диоксида углерода сепарационной установкой 12 может быть вихревой сепаратор 40 (или может его включать в себя). Вихревой сепаратор 40 может быть любым аппаратом или системой, предназначенной для превращения газовой смеси (линия 22 гидравлической связи) в вихревой поток, чтобы отделить от газовой смеси по меньшей мере первую фракцию 23 и вторую фракцию 25. Таким образом, вихревой сепаратор 40 может быть выполнен с возможностью приема газовой смеси по линии 22 гидравлической связи и принуждения газовой смеси к движению по схеме вихревого потока текучей среды.

По меньшей мере два составляющих газа газовой смеси, подаваемой по линии 22 гидравлической связи, могут иметь разницу в молекулярном весе, достаточную для обеспечения отделения, вызванного вихрем. В качестве первого примера по меньшей мере один составляющий газ газовой смеси может иметь молекулярный вес, который составляет до 70% молекулярного веса другого составляющего газа газовой смеси. В качестве второго примера по меньшей мере один составляющий газ газовой смеси может иметь молекулярный вес, который составляет до 60% молекулярного веса другого составляющего газа газовой смеси. В качестве третьего примера по меньшей мере один составляющий газ газовой смеси может иметь молекулярный вес, который составляет до 50% молекулярного веса другого составляющего газа газовой смеси. В качестве четвертого примера по меньшей мере один составляющий газ газовой смеси может иметь молекулярный вес, который составляет до 40% молекулярного веса другого составляющего газа газовой смеси. В качестве пятого примера по меньшей мере один составляющий газ газовой смеси может иметь молекулярный вес, который составляет до 37% молекулярного веса другого составляющего газа газовой смеси.

Когда газовую смесь извлекают из нефтяной скважины и она в основном состоит из диоксида углерода, как отмечалось выше, первая фракция 23 может быть по существу чистым диоксидом углерода, а вторая фракция 25 может включать в себя компоненты с более легкими молекулярными весами, такие как водяной пар и метан. В качестве одного примера первая фракция 23 может включать в себя по меньшей мере 95% по весу диоксида углерода. В качестве другого примера первая фракция 23 может включать в себя по меньшей мере 96% по весу диоксида углерода. В качестве другого примера первая фракция 23 может включать в себя по меньшей мере 97% по весу диоксида углерода. В качестве следующего примера первая фракция 23 может включать в себя по меньшей мере 98% по весу диоксида углерода. В качестве еще одного примера первая фракция 23 может включать в себя по меньшей мере 99% по весу диоксида углерода.

Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией, можно полагать, что преобразование газовой смеси в вихревой поток может привести к отделению компонентов газовой смеси со сравнительно более высоким молекулярным весом (например, диоксид углерода) от компонентов со сравнительно более низкими молекулярными весами (например, водяной пар и метан). Во время вихревого отделения более высокий момент количества движения более тяжелых компонентов может оттеснить их радиально наружу относительно более легких компонентов, тем самым, обеспечивая возможности для отделения более тяжелых компонентов от более легких компонентов.

Также, не будучи ограниченными какой-либо конкретной теорией, можно полагать, что охлаждение газовой смеси, когда она расширяется в вихревом сепараторе 40 в соответствии с эффектом Джоуля-Томсона, можно дополнительно обеспечить отделение по меньшей мере одного компонента от газовой смеси. Например, достаточное охлаждение газовой смеси может привести к изменению фазы диоксид углерода (например, к превращению в жидкость), в то время как другие компоненты газовой смеси остаются в газообразной фазе, упрощая тем самым отделение.

Температура, давление и скорость потока газовой смеси, входящей в вихревой сепаратор, могут быть управляемыми параметрами и могут быть регулируемыми для достижения заданного отделения.

В одной конструкции вихревой сепаратор 40 может быть статическим аппаратом или системой. Статический вихревой сепаратор 40 может быть по существу свободным от движущихся частей и может быть выполнен с возможностью осуществления вихревого потока газовой смеси с учетом формы и конфигурации вихревого сепаратора 40, а также углом и направлением, с которыми газовая смесь входит в вихревой сепаратор 40 по линии 22 гидравлической связи.

В качестве одного специфического, но не ограничительного примера, вихревой сепаратор 40 может быть выполнен в виде статического центробежного сепаратора, имеющего, в общем, тело 42 в виде усеченного конуса, имеющее первый конусный конец 44 и широкий второй конец 46. Первый конец 44 тела 42 может образовывать первое выходное отверстие, связанное с линией 24 гидравлической связи. Второй конец 46 тела 42 может включать в себя входное отверстие 50 и второе выходное отверстие 52. Входное отверстие 50 может быть выполнено так, что газовая смесь входит в тело 42 по окружности, направляя тем самым газовую смесь по схеме вихревого потока. Второе выходное отверстие 52 может быть аксиально выровнено с телом 42 и может быть, в общем, отцентрировано относительно тела 42. Второе выходное отверстие 52 может включать в себя трубу или что-то аналогичное ей, которая продолжается аксиально по меньшей мере частично в теле 42.

Таким образом, когда газовая смесь входит в тело 42 вихревого сепаратора 40 через входное отверстие 50, газовая смесь может расширяться (охлаждаться) и может быть преобразована в вихревого потока. Газовая смесь может разделиться на первую фракцию 23, которая может выйти из вихревого сепаратора 40 по линии 24 гидравлической связи, и вторую фракцию 25, которая может выйти из вихревого сепаратора 40 по линии 26 гидравлической связи.

В другой конструкции вихревой сепаратор 40 может быть динамическим аппаратом или системой. Динамический вихревой сепаратор 40 может включать в себя крыльчатку, рабочее колесо, турбину или аналогичный элемент, который может быть соединен или не соединен с валом и приводиться в действие двигателем и который принудительно преобразовывает газовую смесь в вихревой поток. Также предусмотрено применение как динамического вихревого сепаратора, так и статического вихревого сепаратора.

По фиг.3 в другом варианте осуществления раскрытой системы отделения диоксида углерода сепарационная установка 12 может быть емкостью 60 давления (или может ее включать в себя), в которой давление газовой смеси может быть повышено с возможностью ее сжижения. В частности, повышением давления газовой смеси в емкости давления 60 газовую смесь можно разделить по меньшей мере на первую фракцию 62 и вторую фракцию 64. Первая фракция 62 может находиться в жидкой фазе, а вторая фракция 64 может находиться в газообразной фазе. Первая фракция 62 может выходить из емкости 60 давления по линии 24 гидравлической связи, а вторая фракция 64 может выходить из емкости давления по линии 26 гидравлической связи.

Емкость 60 высокого давления может быть любой емкостью, предназначенной для хранения газовой смеси при повышенных давлениях. В одной конструкции емкость 60 высокого давления может быть предназначена на давление по меньшей мере 80 атм. В другой конструкции емкость 60 высокого давления предназначена на давление по меньшей мере 90 атм. В другой конструкции емкость 60 высокого давления рассчитана на давление по меньшей мере 100 атм. В другой конструкции емкость 60 высокого давления рассчитана на давление по меньшей мере 150 атм. Еще в одной конструкции емкость 60 высокого давления может быть предназначена на давление по меньшей мере 200 атм.

Когда газовую смесь извлекают из нефтяной скважины и она в основном состоит из диоксида углерода, как отмечалось выше, первая фракция 62 может быть по существу чистым диоксидом углерода, а вторая фракция 64 может включать в себя компоненты с более легкими молекулярными весами, такие как водяной пар и метан. В качестве одного примера первая фракция 62 может включать в себя по меньшей мере 95% по весу диоксида углерода. В качестве другого примера первая фракция 62 может включать в себя по меньшей мере 96% по весу диоксида углерода. В качестве следующего примера первая фракция 62 может включать в себя по меньшей мере 97% по весу диоксида углерода. В качестве следующего примера первая фракция 62 может включать в себя по меньшей мере 98% по весу диоксида углерода. В качестве еще одного примера первая фракция 62 может включать в себя по меньшей мере 99% по весу диоксида углерода.

Давление, требуемое для сжижения газа внутри емкости 60 высокого давления, может зависеть от множества факторов, включающих в себя состав газовой смеси и концентрацию различных компонентов, которые составляют газовую смесь. Когда газовую смесь извлекают из нефтяной скважины и она в основном состоит из диоксида углерода, как отмечалось выше, то для ее сжижения могут быть достаточными сравнительно низкие давления.

Диоксид углерода конденсируется в жидкость при относительно низком парциальном давлении по сравнению со многими другими газами, такими как углеводороды. Например, чистый диоксид углерода может конденсироваться в жидкость при около 1000 фунтах/дюйм² (68 атм). В качестве другого примера газовая смесь, содержащая около 90% по весу диоксида углерода (остальное метан) может сжижаться при около 1300 фунтах/дюйм² (88 атм). Таким образом, не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией, можно полагать, что сжижение может быть сравнительно низким по стоимости способом отделения диоксида углерода от газовой смеси, особенно, когда газовая смесь включает в себя сравнительно высокую концентрацию диоксида углерода, благодаря относительно низким давлениям, требующимся для достижения сжижения.

Таким образом, емкость 60 высокого давления может быть накачана до давления, достаточного для конденсации по меньшей мере одного компонента (например, диоксида углерода) газовой смеси. В одном варианте емкость 60 высокого давления может быть накачана до давления по меньшей мере 1000 фунтов/дюйм² (68 атм). В другом варианте емкость 60 высокого давления может быть накачана до давления по меньшей мере 1300 фунтов/дюйм² (88 атм). В следующем варианте емкость 60 высокого давления может быть накачана до давления по меньшей мере 1400 фунтов/дюйм² (95 атм). В следующем варианте емкость 60 высокого давления может быть накачана до давления по меньшей мере 1600 фунтов/дюйм² (109 атм). В следующем варианте емкость 60 высокого давления может быть накачана до давления по меньшей мере 1800 фунтов/дюйм² (122 атм). Еще в одном варианте емкость 60 высокого давления может быть накачана самое большее до давления в 2000 фунтов/дюйм² (136 атм).

Также раскрытыми являются способы для разделения газовой смеси на первую фракцию и вторую фракцию. Раскрытые способы отделения могут быть применены для отделения диоксида углерода от, например, газового потока, выходящего из газонефтяного сепаратора нефтяной скважины, хотя также предполагаются различные другие применения раскрытых способов.

По фиг.4 один вариант осуществления раскрытого способа отделения газовой смеси, обозначенный в целом позицией 100, может начинаться в блоке 102 с этапа получения газовой смеси. Как описано выше, газовой смесью может быть смесь, содержащая диоксид углерода, извлеченная из нефтяной скважины во время EOR. Предусмотрено также применение других газовых смесей.

Как представлено в блоке 104, газовая смесь может быть направлена в вихревой поток. Для придания газовой смеси вихревого потока могут быть применены различные аппараты и системы. Например, могут быть применены статические или динамические вихревые сепараторы.

При нахождении газовой смеси в вихревом потоке первая фракция (например, фракция, содержащая диоксид углерода) газовой смеси может быть отделена от второй фракции (например, фракции, содержащей легкие углеводороды), как показано в блоке 106. После отделения первая фракция может быть отправлена в первую емкость (блок 108), а вторая фракция может быть отправлена во вторую емкость (блок 110).

По желанию этапы, представленные в блоках 104 и 106, могут быть повторены один раз или более, например, применением множества последовательных вихревых сепараторов для дополнительной очистки первой фракции, второй фракции или обеих фракций.

По фиг.5 другой вариант осуществления раскрытого способа отделения газовой смеси, в целом обозначенный позицией 200, может начинаться в блоке 202 с этапа получения газовой смеси. Как описано выше, газовой смесью может быть смесь, содержащая диоксид углерода, извлеченная из нефтяной скважины во время EOR, и она может иметь сравнительно высокую концентрацию (например, 80% по весу или более) диоксида углерода. Предусматривается также применение других газовых смесей.

Как показано в блоке 204, газовая смесь может быть сжата до давления, достаточного для образования жидкой фазы и газообразной фазы. Например, для достижения заданного давления газовая смесь может быть сжата подачей ее в емкость давления.

При сжатой газовой смеси, как показано в блоке 206, первая, жидкая фракция (например, фракция, содержащая диоксид углерода) газовой смеси может быть отделена от второй, газообразной фракции (например, фракции, содержащей легкие углеводороды). После отделения первая фракция может быть отправлена в первую емкость (блок 208), а вторая фракция может быть отправлена во вторую емкость (блок 210).

Соответственно, раскрытые системы и способы могут обеспечить отделение одного или более компонентов от газовой смеси без уничтожения (например, сжигания) каких-либо компонентов. Таким образом, отделенные первая и вторая фракции могут быть использованы в различных последующих приложениях, например EOR, и выработке энергии.

Несмотря на то, что были показаны и описаны различные варианты осуществления раскрытых систем и способов отделения диоксида углерода, после ознакомления с описанием изобретения у специалистов в данной области техники могут появиться модификации. Данная заявка включает в себя такие модификации и ограничена только объемом формулы изобретения.