用于增加烃回收的方法和装置.pdf

本发明涉及一种从油藏回收烃的方法，其包括将空气分离为富氮气体和富氧气体，用至少部分富氧气体氧化烃燃料以产生蒸汽和富CO2气体，通过注入井将至少部分蒸汽注入油藏以加热烃，用至少部分富氮气体吹扫注入井，并且将至少部分富CO2气体注入包含经加热的烃的油藏。

1.  一种从油藏回收烃的方法，其包括：
-将空气分离为富氮气体和富氧气体；
-用至少部分富氧气体氧化一种烃燃料以产生蒸汽和富CO₂气体；
-将至少部分蒸汽通过注入井注入到油藏中以加热烃；
-用至少部分富氮气体吹扫注入井；和
-将至少部分富CO₂气体注入包含经加热的烃的油藏中。

2.  如权利要求1所述的方法，其中蒸汽和富CO₂气体不同时注入，并且通过吹扫分离。

3.  如权利要求2所述的方法，其中注入到油藏中的蒸汽的量在重量上比从油藏回收的烃的量低大约3倍。

4.  如权利要求2所述的方法，其中注入到油藏中的富CO₂气体的量比注入到油藏中的蒸汽的量低大约10重量％。

5.  如权利要求1所述的方法，其中富CO₂气体是通过将富氧气体注入燃烧室而产生的烟道气。

6.  如权利要求1所述的方法，其中蒸汽和富CO₂气体通过使用烃燃料的气化方法产生。

7.  一种从油藏回收烃的体系，其包括：
-一个构造用于将空气至少分离为富氮气体和富氧气体的空气分离单元；
-一个构造用于使用富氧气体氧化烃燃料的氧化单元，其中氧化单元提供热以产生蒸汽并且产生富CO₂气体，其中氧化单元被构造成在不存在大气供给的情况下氧化烃燃料；
-一个与产生的蒸汽、富CO₂气体和富氮气体有流体交通的注入井。

8.  如权利要求7所述的体系，其中氧化单元包括一个气化体系。

9.  如权利要求7所述的体系，其中氧化单元包括构造用于有氧燃烧的燃烧室。

10.  一种从油藏回收烃的方法，其包括：
-将空气分离为富氮气体和富氧气体；
-用至少部分富氧气体氧化烃燃料以产生蒸汽和富CO₂气体；
-将蒸汽注入油藏以产生烃，持续一段时间以加热烃；
-在停止注入蒸汽后将富氮气体注入到油藏中；
-在停止注入富氮气体后将富CO₂气体注入油藏中，而烃保持充分加热以改进回收。

11.  如权利要求10所述的方法，其中富CO₂气体是通过将富氧气体注入燃烧室产生的烟道气。

12.  如权利要求10或11所述的方法，其中蒸汽和富CO₂气体通过使用烃燃料的气化方法产生。

用于增加烃回收的方法和装置
本发明实施方案涉及从油藏回收烃的体系和方法。此处公开的实施方案尤其在例如回收重油和沥青中有用。
油的等级通常根据粘度、密度和硫含量分类。油的粘度和密度越高则越难以将油从油藏开采到表面。尤其是，超重油(EHO)和沥青需要改进生产技术用于生产。在下述说明书中，专业术语“油”可用于指超重油和沥青，但是也用于更低粘度等级油。
世界上大部分潜在油储量是超重油和沥青形式，如委内瑞拉的Orinoco Belt以及加拿大Alberta的油砂。目前使用改进的热回收技术或基于溶剂的技术开采现有的沥青和超重油油藏，这导致回收效率为20-25％。最常见的热技术是蒸汽注入法，其中蒸汽通过冷凝将热焓传递到油。加热降低了油的粘度，从而允许重力排油和收集。用已知的蒸汽吞吐采油法(Cyclic Steam Simulation，CSS)和蒸汽动力驱油法(Steam Assisted GravityDrainage，SAGD)可以实现注入。
在SAGD中，将两个主要井钻入到油藏中：一个生产井和一个注入井。注入井用于将蒸汽和各种气体注入油藏中。注入所致的降低的粘度以及更高温度和压力导致通过生产井生产烃。
回收超重油和沥青的成本和环境影响是一项当前关注的问题。蒸汽发生器需要大量燃料以生产足量蒸汽来促进生产。使用当前技术，蒸汽与生产的油的比率(“蒸汽与油比率”或者SOR)为1.4-4。换句话说，从油藏每生产1加仑油，必须将1.4-4加仑水蒸发为蒸汽。除了消耗的燃料，大量水损失在油藏中。必须处理与生产的油一起返回表面的水以除去污染物如重金属和硫。水处理进一步增加了生产成本。
蒸汽产生排放的温室气体也是受关注的。作为实例，每日可能产生大约8,000-15,000吨二氧化碳(CO₂)以产生注入蒸汽并且生产日产油桶数(BOPD)100,000桶的沥青。减少CO₂和其它温室气体排放将减少超重油和沥青生产的环境影响。
蒸气抽提(VAPEX)是提高超重油和沥青生产的另一种技术。VAPEX方法涉及将气态烃溶剂注入油藏，在此其溶解到油中，从而降低粘度并且允许排入较低水平井进行抽提。典型的烃溶剂包括丙烷、丁烷或CO₂和载气。目前，VAPEX在不加热油藏条件下单独微小改进油回收。烃溶剂是昂贵的，并且很大比例在生产过程中损失在油藏中。
本发明实施方案一方面涉及一种从油藏回收烃的方法。该方法包括将空气分离为富氮气体和富氧气体，用至少部分富氧气体氧化烃燃料以产生蒸汽和富CO₂气体，通过注入井将至少部分蒸汽注入油藏以加热烃，用至少部分富氮气体吹扫注入井，并将至少部分富CO₂气体注入包含经加热的烃的油藏中。
根据上述方法的更特定的实施方案，蒸汽和富CO₂气体不同时注入并且通过吹扫分离。根据该实施方案，注入油藏中的蒸汽的量可能比从油藏回收的烃的量在重量上低大约3倍，和/或注入到油藏中的富CO₂气体的量可能比注入到油藏中的蒸汽的量低大约10重量％。
根据上述方法的另一个更特定的实施方案，富CO₂气体是将富氧气体注入燃烧室产生的烟道气。根据该实施方案，可以将燃烧室构造为用于有氧燃烧。
根据上述方法的另一个更特定的实施方案，富CO₂气体用烃燃料通过气化方法产生。根据该实施方案，可以分离气化方法产生的氢气，并且可以使用至少部分氢气提升从油藏回收的烃的级别。
根据上述方法的另一个更特定的实施方案，用于产生蒸汽和富CO₂气体的烃燃料至少部分地来自油藏。
仍然根据上述方法的其它更特定的实施方案，所述方法包括一个或数个下述特征：
-油藏包含重油、超重油和沥青中的至少一种；
-富氧气体包含超过大约90体积％的氧气；
-富氮气体包含超过大约90体积％的氮气；
-富CO₂气体包含超过大约90体积％的CO₂；
-富CO₂气体包含O₂、NO_x和SO_x中的至少一种；
-富CO₂气体包含大约0.1体积％-大约3体积％的O₂；
-富CO₂气体包含H₂S和CH₄中的至少一种；
-富CO₂气体包含NH₃、COS和CS₂中的至少一种；
-富CO₂气体包含超过大约99.5体积％的CO₂。
本发明实施方案另一方面涉及一种从油藏回收烃的体系。该体系包括一个构造用于将空气至少分离为富氮气体和富氧气体的空气分离单元，一个构造用于使用富氧气体氧化烃燃料的氧化单元。氧化单元提供热用于产生蒸汽并且产生富CO₂气体，并且被构造成在不存在大气供给的情况下氧化烃燃料。该体系还包括一个与产生的蒸汽、富CO₂气体和富氮气体有流体交通的注入井。
本发明实施方案另一方面涉及一种从油藏回收烃的方法。该方法包括将空气分离为富氮气体和富氧气体，用至少部分富氧气体氧化烃燃料以产生蒸汽和富CO₂气体，并且将蒸汽注入油藏以产生烃，持续一段时间以加热烃。在停止注入蒸汽后将富氮气体注入油藏中。在停止注入富氮气体后将富CO₂气体注入油藏，同时使烃保持充分加热以改进回收。
这样可以详细地理解本发明上述特征的方式即如上简单概述的本发明的更具体的描述可以通过参考实施方案而获得，其中一些实施方案图解说明在附图中。然而应该注意到附图仅说明了本发明的典型实施方案，因此不应该认为是限制本发明的范围，因为本发明可允许其它等价有效的实施方案。
图1所示为根据本发明实施方案从地下油藏回收烃的回收方法。
图2是根据本发明实施方案从油藏回收烃的体系的示意图。
图3是根据本发明实施方案从油藏回收烃的体系的示意图。
为了帮助理解，使用相同的参考数字在可能的地方用于表示这些图中共有的相同元件。预期在一个实施方案中公开的元件不需要特别叙述就可以有益地用在其它实施方案中。
本发明实施方案通常提供了从油藏回收烃的体系和方法。此处公开的实施方案特别可用于例如回收重油和沥青，但也可以用于回收更低粘度等级的油或各种含油产品。
图1所示为一种根据一个实施方案回收烃的回收方法。通常通过使用注入井130将蒸汽122、二氧化碳121和氮气112的结合物注入油藏100而从油藏100回收烃(油)141。烃141使用生产井140从油藏产生。注入井130和生产井140的相对位置仅用于示意性说明目的。所属技术领域的普通技术人员将意识到注入和生产的具体安排可以根据油藏及其含量而变化，这不背离本发明的范围。
根据一个实施方案，氮气112来自空气分离方法110，该方法接受并且分离空气101成为组成组分如氮气112和氧气111。至少一部分氧气提供至二氧化碳和蒸汽发生方法120，该方法产生至少一部分注入到油藏100中的二氧化碳121和蒸汽122以促进烃回收。尤其是，二氧化碳和蒸汽发生方法使用分离方法110提供的氧气111来氧化含碳材料107。
含碳材料107可以是例如烃(CHx)。在一个实施方案中，二氧化碳通过燃烧方法产生，而在另一个实施方法中，二氧化碳是在热转化方法中产生。在一个实施方案中，从油藏100回收的烃141提供至少一部分被氧化的含碳材料107。为此目的，烃分离方法(没有示出)可用于回收的烃141，从而提供用于二氧化碳和蒸汽发生方法的含碳材料。蒸汽122由产生二氧化碳所生成的热产生，或者由燃烧产生二氧化碳过程中产生的气体燃烧而产生。
图2所示为根据本发明实施方案回收烃的体系200。空气分离单元(ASU)201将空气101分离为主要气体：富氧气体111和富氮气体112。此处使用的“富氧”和“富氮”指气体分别包含至少50体积％氧气和氮气。可以使用能产生富氧和富氮气体的任何ASU例如低温ASU。富氧气体111可以是例如超过90体积％O₂。富氮气体112可以是例如超过90体积％N₂。富氧气体111从ASU 201投料至燃烧室210以提供用于燃烧的氧气，这导致更完全的燃烧以主要提供水和CO₂。在一个实施方案中，富氧气体111是基本上纯的氧气(超过90％)，并且燃烧室210是没有大气入口的有氧燃烧室。在有氧燃烧中，基本上纯的氧气用于烃燃料的燃烧。根据氧气和烃燃料的纯度，有氧燃烧室的输出几乎完全是气体形式的CO₂和水。
来自燃烧室210的烟道气提供了富CO₂气体121，其用于增强从油藏100回收油。富CO₂气体121的CO₂含量可以是例如超过90体积％CO₂。在一个实施方案中，使用有氧燃烧室，富CO₂气体121可以是高纯度CO₂(超过99.5％CO₂)或者可包含微量但有用的杂质。为了提供高纯度CO₂，可以使用各种商业上可用的技术如膜式过滤或溶剂处理进一步纯化富CO₂气体。在一个实施方案中，富CO₂气体121可包含至少90％CO₂、至多3％O₂、COS和其量根据烃燃料221组成而变化的NO_x和SO_x。O₂通过在油藏100中氧化小部分烃如沥青而有助于原位生产表面活性物质(表面活性剂)。生产的表面活性剂可通过表面活性剂液泛进一步改进烃回收，这降低了油藏中油和水之间的介面张力，从而产生乳液。NO_x和SO_x有助于降低产生的水的pH，并且为烃回收过程中水/油乳液稳定性和悬浮剂稳定性做出了贡献。产生的水的处理通常包括降低pH。因此通过NO_x和SO_x优先降低pH可降低额外处理产生的水的需求，从而降低成本。
各种燃料来源(CHx)可以用在燃烧室210中。根据一个实施方案，在燃烧室210中使用的烃燃料221由分离单元220提供。例证性地，分离单元220从油藏100接收回收的烃141，并且将这些烃分离为两种或更多种组分(馏分)。在特定实施方案中，分离单元220将回收的烃141分离为重馏分221和轻馏分222。所属技术领域中使用的“馏分”根据烃链分子量分组，这与粘度和沸点相关。轻馏分有足够低的粘度，适合在管道中输送。重馏分如沥青质是高粘度的并且难以输送或者精炼为燃料。至少一部分重馏分221提供至燃烧室210作为燃料用于氧化富氧气体111。更适合用于精炼为燃料的轻馏分222被输送到别处使用。
燃烧室210用于在锅炉211中将进料水105加热为蒸汽122。蒸汽122的部分281可以在各种其它功能中使用，例如在汽轮机(没有示出)中的动力产生250或者提供脱盐水。将蒸汽122的部分282注入油藏100以增强回收。
图2所示实施方案提供了改进从油藏100回收烃的三种组分。蒸汽122的部分282用于原位加热烃，从而降低粘度并且开始从油藏100生产烃141。将富CO₂气体121(燃烧室210的烟道气)注入油藏作为烃溶剂，从而进一步降低油藏中烃的粘度。由蒸汽注入导致的油藏100中更高的烃温度增加了富CO₂气体121的溶解性。来自ASU 201的富氮气体112提供了不溶混流体(不可溶的)以再加压油藏100并且使注入井变干。蒸汽和富CO₂气体注入之间的氮气注入步骤降低了注入井中形成的碳酸的量。碳酸随着时间推移严重地侵蚀用于注入井中管件和铸件的金属和复合材料。氮气用于在注入富CO₂气体之前吹扫蒸汽的注入井，反之亦然。尽管蒸汽、富氮气体和富CO₂气体注入可叠加，但通过干预富氮气体注入而分离蒸汽和富CO₂气体注入将减少碳酸形成，从而减少注入井中铸件和管件的侵蚀。减少侵蚀的结果是增加了铸件和管件的使用寿命。
蒸汽、富氮气体和富CO₂气体的注入可以循环进行以从油藏回收烃。首先进行蒸汽注入以加热油藏中的烃并且开始烃生产。开始生产必须的温度可根据烃的性质和油藏的压力而变化。例如当油藏中一部分烃达到100℃-180℃时可以开始烃生产。而且在蒸汽注入期间可根据油藏和其中包含的烃的具体性质有很大变化。在一个实施方案中，蒸汽注入可以持续例如5-10天。注入的蒸汽的量可以是例如产生的油的体积的1-3倍。蒸汽注入可以以规律或者不规律间隔重复进行。在持续时间和相对于产生的油的桶数量上，蒸汽注入的后面重复可以更短。在蒸汽注入后，注入富氮气体(不混溶液泛)以吹扫导管并且再加压油藏。注入的富氮气体的量在重量上可以是产生的油量的例如0.1-2倍。
随着从蒸汽注入继续的烃生产，将富CO₂气体注入油藏(可混溶液泛)中。因为增加了温度，CO₂更有效地用作溶剂进一步降低烃的粘度。注入的CO₂的量在重量上可以是产生的油量的例如0.5-3倍。然而为了排放目的，燃烧产生的所有富CO₂烟道气可以注入到油藏中。任何溶剂(CO₂)损失都是该方法的优点，因为CO₂减排到地下而不是排放到大气中。除了CO₂减排的生态学益处，环境法规机制可以通过产生碳信用用于交易、课税减免等而提供经济益处。
在注入富CO₂气体后，可将额外的富氮气体注入油藏以清洗导管并且再加压油藏。然后可循环重复上述注入步骤以继续从油藏生产油。
回到图3，所示为用于根据本发明实施方案回收烃的体系300。图3的体系300在配置上与图1所示的体系类似，并且能完成上述方法。然而，体系300使用气化体系301提供热来生产蒸汽122和富CO₂气体121，而不是通过燃烧来氧化烃燃料CHx。气化方法在所属技术领域熟知用于精炼以及从煤和其它烃产生更清洁电力。因此下面仅简单描述气化。适用于本发明实施方案的气化体系包括例如逆流固定床(“向上通风式”)气化炉、并流固定床(“向下通风式”)气化炉、流化床气化炉和夹带流气化炉。所属技术领域普通技术人员将意识到本发明实施方案不限于任何特定气化体系。
气化是含碳材料如烃(CHx)在高温以有限供应的基本上纯的氧气111(例如超过90体积％)和蒸汽105热转化为合成气体(“合成气”)。合成气通常包含一氧化碳(CO)、氢气和水蒸气。转移反应器(可以是气化体系201的组件)可以继续该方法以将CO转化为富CO₂气体121，用于注入到油藏100中。在转移反应器中，CO和水在高温(例如350℃-400℃)反应产生CO₂和氢气。反应可以在催化剂如磁铁矿(Fe₃O₄)和过渡金属氧化物帮助下进行。可以使用可透性膜从其它气体分离气化方法的氢气202。氢气202可以用作例如汽轮机中的燃料或用于氢化沥青以改质。在一个实施方案中，一部分蒸汽122可以再循环到气化体系201以继续向气化方法进料，而不是将所有蒸汽122注入油藏。
在一个使用气化方法的实施方案中，富CO₂气体121可包含微量但有用的杂质。富CO₂气体121可以是高纯度CO₂，或者例如富CO₂气体121的组成在一个实施方案中可以是至少90％CO₂，剩余部分主要是H₂S和CH₄。富CO₂气体121还可包含痕量NH₃、COS和CS₂。富CO₂气体121中的杂质可有助于再加压油藏100。H₂S降低了产生的水的pH，这如上所述降低了与处理产生的水相关的成本。CH₄通过用作烃溶剂改进了气体/油溶混性。
气化能使用几乎任何基于碳的材料，并且其空气污染物比燃烧少。合适的燃料包括生物质、产生的沥青或超重油的重馏分、天然气、焦炭、煤、石油焦炭(petcoke)及其任意组合。通常改质发生在精炼厂；然而通过在生产点提供氢气，改质可以在运输之前发生。结果是产生的烃更易于运输，减少了或者不需要随后在精炼厂的氢气生产。
上述实施方案可以提供一个或多个下述优点。图1中的方法以及图2和3中的体系为沥青和重油生产中通常考虑的副产物提供了有效的用途。分离的富氮气体可以用于油藏和导管的不混溶液泛以再加压油藏并且减少侵蚀，而不是浪费掉。分离的富氧气体用于改进用于蒸汽生产或者气化方法中的燃烧，两者都提供了富CO₂气体，其可以注入到油藏中作为烃溶剂。根据一个实施方案，与轻质烃用作溶剂不同，油藏中富CO₂气体的损失可提供分离的经济和环境优点。而且使用根据本发明实施方案的方法，可以降低产生每桶油需要的蒸汽的量(相对于其它基于蒸汽的方法如SAGD)，从而相对于产生的油的量而言降低了水和能量成本。
尽管前述涉及本发明实施方案，但可以设想到本发明的其它和进一步的实施方案而不背离其基本范围，本发明的范围由随后的权利要求确定。