Предложены способы термальной добычи натурального газа и битума из содержащих их пластов. В целом предлагаемые способы включают ряд известных, но ранее не сочетавшихся технологий. Модифицированный дымовой газ из парогенераторов, обычно использующийся в SAGD-добыче (добыча способом гравитационного дренажа с паровой поддержкой), нагнетается в пласт для улучшения добычи, среди прочего жидкостей, природного газа, битума, с их последующей обработкой. Нагнетание дымового газа является удобным способом его утилизации, а также служит цели восстановления давления в пласте, давление в котором в противном случае теряется вместе с уменьшением количества природного газа. Соответственно, данная технология несёт экономическую выгоду и пользу для окружающей среды.

[0001] Способ добычи сырой нефти и битумной нефти из подземных пластов, содержащих сырую нефть и битум, включающий

[0002] Способ по п.1, в котором упомянутое топливо является ископаемым топливом.

[0003] Способ по п.2, в котором упомянутое топливо выбрано из группы, содержащей природный газ, топочный мазут, сырую нефть, битум, мазут, эмульсионное топливо, мультифазный супермелкий атомизированный остаток, асфальтены, нефтекокс, уголь и их комбинации.

[0004] Способ по любому из пп.1-3, в котором упомянутое топливо сжигают в парогенераторе с кислородом и воздухом.

[0005] Способ по любому из пп.1-4, который далее включает стадию модифицирования упомянутого дымового газа перед нагнетанием в упомянутые пласты.

[0006] Способ по п.5, включающий удаление побочных газообразных продуктов, образующихся в упомянутой стадии модифицирования.

[0007] Способ по п.6, в котором упомянутые побочные газообразные продукты выбирают по меньшей мере один из группы, включающей водород, моноксид углерода, азот, оксиды азота, оксиды серы и диоксид углерода.

[0008] Способ по любому из пп.5-7, включающий удаление твёрдых шлаков.

[0009] Способ по любому из пп.5-8, в котором упомянутая стадия модификации упомянутого дымового газа включает операции по удалению твёрдых частиц, охлаждению, компрессии и дегидратации.

[0010] Способ по любому из пп.5-9, в котором модифицированный дымовой газ нагнетают в упомянутый пласт для поддержания пластового давления и высвобождения из упомянутого пласта природного газа.

[0011] Способ по п.10, в котором при восстановлении пластового давления из упомянутого пласта вытесняют сырую нефть.

[0012] Способ по п.11, включающий далее стадию модификации упомянутой сырой нефти с помощью улучшающей качество установки.

[0013] Способ по п.12, в котором с помощью упомянутой улучшающей качество установки выполняют удаление воды из нефти, вытесненной из упомянутого пласта.

[0014] Способ по п.13, в котором хотя бы часть удалённой воды рециркулируют в упомянутый парогенератор.

[0015] Способ по любому из пп.12-14, в котором хотя бы часть мазутного остатка от улучшенной сырой нефти преобразовывают в мультифазный супермелкий атомизированный остаток для использования в качестве сжигаемого топлива.

[0016] Способ добычи газа и битума по меньшей мере из одного гравитационно-дренажного пласта с паровой поддержкой, содержащего газ поверх битума в объеме упомянутого пласта, а также из географически близких пластов, включающий

[0017] Способ по п.16, в котором упомянутый вытесненный газ содержит природный газ вне прямого геологического контакта с битумом.

[0018] Способ по любому из пп.16-17, далее включающий стадию формирования состава упомянутого модифицированного дымового газа для максимизации объёма вытесненного газа.

[0019] Способ по любому из пп.16-18, в котором за добычей вытесненного газа последовательно следует продолжение нагнетания дымового газа до достижения уровня, существенно аналогичного первоначальному геологическому давлению, с целью дальнейшего секвестирования парниковых газов (GHG).

[0020] Способ по любому из пп.18-19, в котором упомянутая стадия формирования состава модифицированного дымового газа включает поддержание концентрации кислорода в упомянутом модифицированном дымовом газе на уровне, выбранном из группы, включающей избыток, стехиометрическое количество или количество ниже стехиометрического.

[0021] Способ по любому из пп.18-20, в котором состав упомянутого модифицированного дымового газа включает от 0 до 79 об.% азота.

[0022] Способ по любому из пп.16-21, который далее включает стадию получения газа в качестве дополнительного продукта из упомянутого модифицированного дымового газа.

[0023] Способ добычи сырой нефти и битумной нефти из подземных пластов, содержащих сырую нефть и битум, включающий

[0024] Способ по п.23, при котором упомянутое топливо - это ископаемое топливо.

[0025] Способ по п.24, при котором упомянутое топливо выбирают из следующего перечня:природный газ, топочный мазут, сырая нефть, битум, мазут, остаток вакуумной перегонки нефти, эмульсионное топливо, мультифазный супермелкий атомизированный остаток, асфальтены, нефтекокс, уголь и их комбинации.

[0026] Способ по п.23, при котором упомянутое топливо сжигают в парогенераторе с кислородом и воздухом.

[0027] Способ по п.23, дополнительно включающий стадию модифицирования упомянутого дымового газа перед его нагнетанием в упомянутые пласты.

[0028] Способ по п.27, включающий операцию удаления побочных газообразных продуктов, образующихся в упомянутой стадии модифицирования.

[0029] Способ по п.28, при котором упомянутые побочные газообразные продукты содержат по меньшей мере одно вещество из следующего перечня:водород, моноксид углерода, азот, оксиды азота, оксиды серы и диоксид углерода.

[0030] Способ добычи сырой нефти и битума из подземного пласта, содержащего сырую нефть и битум, включающий

[0031] Способ добычи газа и битума по меньшей мере из одного гравитационно-дренажного пласта с паровой поддержкой, содержащего газ поверх битума в объеме упомянутого пласта, а также из географически близких пластов, включающий

[0032] Способ по п.31, при котором упомянутые побочные газообразные продукты содержат по меньшей мере одно вещество из следующего перечня:водород, моноксид углерода, азот, оксиды азота, оксиды серы и диоксид углерода.

Область изобретения

Данное изобретение относится к тепловым способам добычи ценных ископаемых из подземных пластов путём использования нагнетания в пласты дымового газа.

Уровень техники

В нефтяной промышленности существует широкий спектр классификации, применимой к нефти. Разделение на классы, в сущности, основано на вязкости и плотности материала и в целом выглядит следующим образом.

1. Средняя фракция сырой нефти

25 °> °API> 18 ° [где API - плотность в градусах Американского нефтяного института (API - аббревиатура от American Petrol Institute - Американский нефтяной институт)];

100 сП> μ> 10 сП [где μ - динамическая вязкость, сП - сантипуаз] подвижна в условиях месторождения.

2. Тяжёлая фракция сырой нефти

20 °> °API> 12 °;

10000 сП> μ> 100 сП требуется использование вторичных способов добычи, включая стимуляцию месторождения путём термозаводнения или вытеснения нефти водой и растворителями.

3. Нефтеносный песок и битум

12 °> °API> 6 °;

μ> 10000 сП, требуется использование вторичных способов добычи, включая стимуляцию месторождения путём термозаводнения или закачивания в пласты воды и растворителей.

С учётом оценки запасов сырой нефти и битума, потенциально доступных в Канаде, Центральной Америке, России, Китае и других местах, разработан значительный арсенал способов их добычи и обработки.

В настоящее время существующие месторождения битума и тяжёлых фракций нефти разрабатываются с использованием вторичных способов добычи с термическим воздействием на пласт, что приводит к эффективности добычи в интервале от 20 до 25%. Наиболее распространённым термическим способом является нагнетание пара в пласт, при котором теплосодержание пара при его конденсации передаётся нефти. Это, естественно, приводит к понижению плотности нефти и создаёт возможность для её гравитационного дренажа и накопления. Нагнетание может производиться путём таких хорошо известных способов, как циклическая паровая стимуляция, циклическое нагнетание пара в ствол скважины и гравитационный дренаж с паровой поддержкой.

Несмотря на широкое применение способа гравитационного дренажа с паровой поддержкой, он не лишён ряда недостатков в плане эффективности. Областью, требующей значительных вложений, является топливо для парогенераторов, производящих пар для нагнетания в пласт. Наиболее желательным топливом является природный газ, но расходы приводят к резкому снижению общей эффективности, к тому же, к этой проблеме добавляется то, что при работе парогенераторов, использующих любые виды углеводородного топлива, образуется различное количество парниковых газов. Для примера, приблизительно от 8000 до 15000 т двуокиси углерода производится ежедневно в процессе создания нагнетательного пара для добычи 100000 баррелей в сутки битума.

Следующая проблема способа гравитационного дренажа с паровой поддержкой - это необходимость повышения качества производимого продукта для повышения его ценности.

Как уже было замечено выше, ещё одной особенностью гравитационного дренажа с паровой поддержкой является ограничение эффективности добычи.

В попытке снижения указанных ограничений было предложено использование альтернативного топлива, иного, нежели природный газ, чтобы хотя бы уменьшить постоянное увеличение роли природного газа. Пример использования подходящего топлива в технологии гравитационного дренажа с паровой поддержкой обсуждается в патенте США № 6530965, выданном Варчол (Warchol) 11 марта 2003 г. В этом документе рассказывается об образовании водной дисперсии мазута, который доступен для сжигания в качестве альтернативного топлива.

Принимая во внимание проблемы существующих технологий, является желательной разработка способа, повышающего эффективность технологии гравитационного дренажа с паровой поддержкой, уменьшающего образование избыточного количества парниковых газов и понижающего расходы путём предоставления альтернативного топлива, аналогичного по тепловой эффективности природному газу.

Данное изобретение сочетает все наиболее желательные возможности и преимущества, совмещая их с энергетически эффективным, высокопроизводительным и дружественным к окружающей среде процессом.

Краткое описание изобретения

Одним из аспектов данного изобретения является улучшенный процесс добычи тепловыми способами с повышенной эффективностью.

Другим аспектом осуществления данного изобретения является способ добычи сырой нефти и битума из подземных пластов, содержащих сырую нефть и битум, включая обеспечение топлива, сжигание топлива в рециркуляционном цикле дымового газа с образованием дымового газа для нагнетания в пласты и нагнетание в пласты дымового газа для замещения сырой нефти и битума.

Другим аспектом осуществления данного изобретения является способ добычи сырой нефти и битума из подземных пластов, содержащих сырую нефть и битум, включая предоставление топлива, сжигание топлива в рециркуляционном цикле дымового газа с образованием дымового газа для нагнетания в пласты и нагнетание в пласты дымового газа для замещения сырой нефти, битума и природного газа.

Другим аспектом осуществления данного изобретения является способ добычи газа и битума из по меньшей мере одного пласта, содержащего в своём объёме газ поверх битума, способом гравитационного дренажа с паровой поддержкой, и/или из географически близкого пласта, включая обеспечение рециркуляционного цикла дымового газа для производства модифицированного дымового газа, нагнетание модифицированного дымового газа в пласт под давлением, достаточным для замещения газа над битумом и замещения битума в пласте, добычу замещённого газа и битума и поддержание пластового давления или восстановление пластового давления с помощью модифицированного дымового газа до уровня давления, аналогичного давлению, существовавшему до нагнетания модифицированного дымового газа.

Другим аспектом осуществления данного изобретения является способ добычи газа и битума из по меньшей мере одного пласта, содержащего в своём объёме газ поверх битума, способом гравитационного дренажа с паровой поддержкой, и/или из географически близкого пласта, включая фазу парогенерации для генерирования пара для нагнетания в пласт, фазу рециркуляции дымового газа для модификации дымового газа для нагнетания в пласт, фазу нагнетания для нагнетания модифицированного дымового газа в пласт для замещения газа поверх битума и поддержания пластового давления или восстановления пластового давления и фазу обработки для обработки произведённого замещённого газа и жидкости, высвободившихся в нагнетательной фазе.

Дальнейшие особенности и преимущества данного изобретения станут очевидными из последующего подробного описания в сочетании с прилагаемыми чертежами.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 является схематической иллюстрацией общего способа в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

Фиг. 2 является более детализированным вариантом фиг. 1.

Фиг. 3 является графической иллюстрацией потребности в кислороде для обогащения двуокисью углерода дымового газа на сухой основе.

Фиг. 4 является графической иллюстрацией потребности в кислороде для обогащения двуокисью углерода дымового газа на влажной основе.

Фиг. 5 является схематической иллюстрацией парового производства природного газа в условиях гравитационного дренажа с паровой поддержкой.

Фиг. 6 является схематической иллюстрацией парового производства битума или эмульсионного топлива в условиях гравитационного дренажа с паровой поддержкой.

Фиг. 7 является схематической иллюстрацией парового производства мазутного эмульсионного топлива в условиях гравитационного дренажа с паровой поддержкой.

Фиг. 8 является схематической иллюстрацией компрессии сопроизведённого дымового газа.

Фиг. 9 является схематической иллюстрацией генерирования сопроизведённого электричества.

Одинаковая нумерация элементов в описании относится к одинаковым элементам.

Промышленное применение

Технология обладает возможностью применения в сфере добычи углеводородов.

Описание изобретения

Если не указано иначе, термин «сырая нефть » включает сырую нефть, тяжёлую фракцию сырой нефти и битум, как это принято в данной области.

На фиг. 1 изображена схематическая иллюстрация одного из вариантов осуществления данного изобретения. Цифра 10 обозначает весь процесс в целом. Смесь воздуха, топлива и кислорода соединяется с потоком рециркуляционного дымового газа и подаётся в систему генерации пара 12 для генерирования пара 16 и дымового газа 35. Смесь воздуха, топлива, кислорода и рециркуляционного дымового газа выбрана для производства обогащённого дымового газа 35 с целью оптимизации добычи газа и сырой нефти из пластов, их содержащих. Более подробно это будет рассмотрено ниже.

В качестве топлива 20, содержащегося в любой из воздушных или кислородных смесей, может быть выбрано любое подходящее углеводородное топливо, не ограничивающими примерами которого могут служить природный газ, битум, топочный мазут, сырая нефть, мазут, эмульсионное топливо, мультифазный супермелкий атомизированный остаток (аббревиатура от multiphase superfine atomized residue - мультифазный супермелкий атомизированный остаток, MSAR ™ является товарным знаком компании Quadrise Canada Fuel Systems), асфальтены, нефтекокс, уголь и их комбинации.

Дымовой газ 35 из системы 12 обрабатывается или модифицируется операцией 14, прежде чем нагнетаться в пласт. Побочные продукты, произведённые обрабатывающим узлом 14, могут опционально быть переработаны.

Этот топочный газ может содержать различные газообразные соединения, включая, в числе прочих, двуокись углерода, окись углерода, азот, оксиды азота, водород, сернистый ангидрид, синтез-газ. В условиях избыточного кислородного сжигания и присутствия кислорода в дымовом газе 35, дымовой газ 35 в основном будет состоять из двуокиси углерода, азота и водяных паров. Обработанный нагнетаемый газ 45 нагнетается в пласты газа и сырой нефти, обобщённо обозначенные цифрой 18, которые изображены в примере как пласты, пригодные для гравитационного дренажа с паровой поддержкой. Как хорошо известно, эта техника включает использование пара для помощи в понижении вязкости вязких углеводородов для увеличения их подвижности. Такие слои также содержат природный газ, битум и другие различные углеводороды, обладающие ценностью, но бывшие ранее недостаточно экономически выгодными или невыгодными для добычи. Пар 16 из системы 12 нагнетается в слой 18, как это показано на чертеже.

Газ в пласте 18 в этом случае становится доступным для добычи эффективным образом в свете циркуляции дымового газа в комбинации с нагнетанием модифицированного дымового газа 45. Сочетание этих операций привело к успеху способа по данному изобретению. Преимуществом описанной технологии является также то, что она может применяться не только к пластам, содержащим газ поверх битума, но и к географически близким пластам, содержащим газ, битум или их комбинации. В качестве не ограничивающего примера можно привести латерально или вертикально смещённые пласты, которые также могут быть подвержены разработке. Это в общем виде показано на фиг. 1 и обозначено цифрой 18'. Модифицированный дымовой газ может нагнетаться в пласт 18' посредством линии 45'. Выгодность предлагаемой технологии повышается также в случае использования ликвидированных месторождений с применением гравитационного дренажа с паровой поддержкой или при нефтеотдаче за счёт продувки, при которой дымовой газ нагнетается не только для поддержки добычи нефти, но и для её замещения.

Природный газ 25, вытесненный из пласта 18, улавливается и может использоваться для дальнейшей обработки, или же часть его может быть рециркулирована в систему в качестве топлива для парогенерации. Этот этап отсутствует на фиг. 1, но очевиден для специалиста в данной области.

Мобилизированные жидкие продукты добычи, содержащие битум и обозначенные цифрой 22, отправляются далее на операцию по переработке 24, в процессе которой битум 26 освобождается от увлечённой с ним воды с целью производства коммерчески ценного продукта. Вода 26 подвергается дальнейшей обработке в подходящем устройстве для обработки воды 28 для очистки от битума, компонентов жёсткости, кварца и других нежелательных компонентов и превращения её в воду, подходящую для бойлерной подачи 30. Для достижения желаемого результата могут использоваться любые подходящие операции по обработке воды. Вода для бойлерной подачи 30 может затем быть рециркулирована в систему 12 для производства пара 16, понижая, таким образом, потребность всего процесса в воде и повышая его эффективность. Плюс к тому, вода, полученная в результате обработки дымового газа и обозначенная цифрой 52, может быть рециркулирована в устройство 28 также для повышения эффективности.

Из вышеописанного общего процесса в целом очевидны многочисленные преимущества, свойственные этому способу. Они включают:

1) эффективное и безопасное для окружающей среды использование вредного дымового газа;

2) улучшенную добычу газа из пласта;

3) улучшенную технологию термальной добычи с повышенным производством битума в пересчёте на единицу пара;

4) секвестирование двуокиси углерода для понижения эмиссии парникового газа;

5) объёмное замещение в пласте и

6) любую комбинацию перечисленных преимуществ.

Переходя к фиг. 2, мы видим более подробную схематическую иллюстрацию процесса в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения. В описанном варианте предлагается воздушный сепаратор 40 для газовой сепарации перед подачей топлива и кислорода в систему парогенерации 12. Опционально для системы 12 предлагается цикл рециркуляции дымового газа. Рециркуляция дымового газа используется для понижения температуры в зоне сгорания в системе 12 с целью поддержания сравнимых характеристик режима работы парогенератора для всего диапазона соотношений кислорода и сжигаемого воздуха в процессе парогенерации. При отсутствии рециркуляции дымового газа, при высоком уровне кислорода температура теплогенератора превысит конструкционный предел для парогенераторов. Дымовой газ, покидающий цикл, обрабатывается устройством 14, где он подвергается избавлению от частиц такими способами, как электростатическое осаждение или пылеуловительная камера с тканевыми рукавными фильтрами 44, при этом шлак сбрасывается в 46. Обработанный таким образом газ охлаждается перед сжатием в компрессоре 48 и дегидрируется в блоке 50. Вода 52 после этой операции может быть направлена в устройство для обработки воды 28 или в фазу формирования мультифазного супермелкого атомизированного остатка 70, которая будет описана далее. Побочный газ из устройства 14, если таковой образуется, может быть отделён от дымового газа и утилизирован для последующих операций, таких как топливо для печей или бойлеров на основе окиси углерода (СО), сернистый ангидрид (SO ₂ ) для коммерческого использования или водород (Н ₂ ) для повышения качества битума.

В этом примере битум из очистителя 24 может обрабатываться в установке 56 частичного или полного повышения качества, после чего частично улучшенный битум или синтетическое нефтяное сырьё переправляется в блок 58, а смесь углеводородов, состоящая из битума, мазута, асфальтенов, кокса и т.д. может быть далее переработана в мультифазный супермелкий атомизированный остаток, который является эффективным топливом и подробно обсуждается в патенте США № 6530965 и который состоит в основном из дисперсионного мазута на водной основе и значительно снижает стоимость топлива для работы парогенераторных систем. Традиционно, в качестве последнего используется природный газ, цена которого значительно превышает расходы, связанные с использованием мультифазного супермелкого атомизированного остатка. Как вариант, топливо может заменяться или дополняться вышеописанным топливом.

Фиг. 3 и 4 графически отображают потребность в кислороде для обогащения двуокисью углерода дымового газа на сухой и влажной основе соответственно. По мере того как в процесс работы парогенератора вовлекается кислород, в дымовом газе 35 наблюдается снижение содержания азота в пересчёте на содержание двуокиси углерода. Таким образом, наблюдается одновременное уменьшение объёма дымового газа и повышение концентрации двуокиси углерода в нагнетаемом обработанном газе 45. Например, в случае сухой основы, в соответствии с фиг. 3, в том случае, когда уровень кислорода достигает 100% (0% сжигания воздуха), состав обработанного дымового газа приближается к 100% двуокиси углерода (СО ₂ ), включая второстепенные соединения типа окиси углерода, сернистого ангидрида, двуокиси азота и т.д. Фиг. 3 представляет основной состав обработанного нагнетаемого газа 45. Фиг. 4 является графической иллюстрацией основного состава потока дымового газа 35 перед обработкой в блоке 14.

Фиг. 5 является схематической иллюстрацией производственного цикла пара с использованием природного газа. В этом примере по крайней мере часть вытесненного природного газа 20 может быть рециркулирована в качестве топлива для питания парогенераторной системы 12. Эта часть обозначена цифрой 60. Обогащенный дымовой газ для нагнетания, состав которого может изменяться по содержанию азота от 30 до 50% и по содержанию двуокиси углерода от 70 до 50%, нагнетается с целью замещения жидких продуктов, битума, природного газа, воды и т.д., перемещаемых для обработки в блок 62. Выбор операций, производимых в блоке 62, определяется тем, какие продукты желательно получить.

Полученная из блока обработки дымового газа 14 вода 52 может быть рециркулирована в блок 62.

На фиг. 6 показан вариант процесса, в котором парогенерация достигается путём использования жидкого альтернативного топлива, на чертеже указано использование битума или тяжёлого дизельного топлива, или, альтернативно, битум или сырая нефть преобразуются в эмульсионное топливо. В этом случае, обработанный битум, покидающий центральную обрабатывающую установку 62 по линии 66, может быть частично перенаправлен по линии 68 напрямую в качестве тяжёлого топлива или, альтернативно, направлен в эмульсионный агрегат для производства альтернативного топлива. Стадия эмульсионного агрегата обозначена цифрой 70. Дополнительное количество воды, утилизированной и циркулирующей по 52, может быть перенаправлено в узел 70 по линии 72. В эмульсионной установке с целью создания альтернативного топлива к битумному материалу добавляются подходящие химикаты (поверхностно-активные вещества и т.д.). После этого, созданное альтернативное топливо, выходящее из установки по линии 74, может быть использовано как топливо для парогенерационной системы 12. Подача природного газа из объёма газа, вытесненного из пласта 18, использовавшегося в качестве горючего, прекращается, и процесс далее не требует использования природного газа. Таким образом, как только эмульсионная установка запущена и её работа стабилизирована, процесс ориентируется на использование альтернативного топлива, которое сам же производит.

На фиг. 7 изображена иная разновидность варианта, показанного на фиг. 6, в которой установка повышения качества битума 76 добавлена к центральной обрабатывающей установке. Таким образом, материал, покидающий центральную обрабатывающую установку 66, обрабатывается в установке по повышению качества 76 с образованием тяжёлого остатка, выходящего по линии 80, который может быть далее преобразован в альтернативное эмульсионное топливо и направлен к паровой системе 12 в соответствии с фиг. 6. Дополнительная выгода может быть получена от повышения качества битума до деасфальтизированной нефти или синтетического нефтяного сырья.

На фиг. 8 изображен вариант осуществления данного изобретения в комбинации с установкой сопроизводства природного газа 600 с целью улучшения общего процесса термальной добычи сырой нефти. Данная комбинация уникальна тем, что парогенераторы 12, описанные выше, могут быть дополнены комбинированным генератором пара и регенерации тепла для производства общего потока нагнетаемого пара и предоставления необходимой мощности для работы компрессоров обработанного дымового газа для нагнетания в пласт.

Фиг. 9 иллюстрирует дополнительный вариант осуществления данного изобретения, при котором парогенераторы 12 комбинированы с установкой сопроизводства 600 с целью производства электричества. Произведённое электричество может быть использовано для обеспечения работы компрессоров обработанного нагнетательного дымового газа и для питания всей системы 10 для обеспечения её энергетической самодостаточности.