012979 Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для со- вместного производства электроэнергии и добычи нефти...

012979
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для совместного производства электроэнергии и добычи нефти с использованием продуктов многофункциональной энергетической установки.
Известны многочисленные методы увеличения коэффициента нефтеотдачи в нефтяных залежах путем закачки в продуктивные пласты углекислого газа. В основу этих методов заложен физикохимический процесс интенсивного растворения CO2 в пластовой нефтегазовой смеси, в результате которого происходит существенное снижение вязкости пластовой нефти, улучшение ее фильтрационных
свойств и вследствие этого - интенсивное продвижение к забою эксплуатационных скважин.
Очевидно, что для реализации этого процесса необходимы значительные объемы CO2, природные
залежи которого чрезвычайно редки, а его концентрация в составе многочисленных природных газов,
как правило, весьма низкая.
Данная проблема является важной с двух точек зрения: экономической и экологической. Возможность увеличения добычи нефти представляется рентабельной только, если существует недорогой источник углекислого газа. С другой стороны, выбросы CO2 из существующих электростанций должны быть
уменьшены в соответствии с известным Киотским протоколом. Следовательно, создание Нулевого Комплекса является целью промышленной экологии - использовать «отходы» одного процесса как исходный
материал для другого процесса.
Инжекция углекислого газа в нефтяные скважины как метод повышения нефтеотдачи успешно
применена в 1972 г. в США, где она действует сейчас во многих штатах и считается, что она может дать
повышение нефтяных резервов на 1 млрд баррелей при получении CO2 из природных подземных источников. В 2000 г. реализован первый крупный проект с технологическим получением CO2, как продукта
газификации угля, и его транспортом по трубопроводу на 204 мили из США в Канаду для дополнительной добычи 130 млн баррелей в течение 25 лет (проект Вейбурн).
Много различных схем и циклов энергоустановок, совместно производящих электроэнергию и углекислый газ, рассмотрено в книгах Yantovskii Е. Energy and Exergy Currents. NOVA Sci.Publ. NY, 1994;
Gottlicher G., Energetik der Kohlendioxidriickhaltung, Reiche 6, № 421, VDI Vorschungsberichte, Dusseldorf,
1999). Основным стимулом в их разработке было стремление к чистой (безвыбросной) энергетике на органическом ископаемом топливе. Было показано, что не само органическое топливо делает энергетику
«нечистой», а устаревший способ его сжигания, что выбросы в атмосферу можно полностью устранить,
если естественный окислитель (воздух) заменить искусственным окислителем, в котором место инертного азота займет инертный диоксид углерода или водяной пар. При этом продукты сгорания - это те же
пар или CO2, они легко становятся жидкими и тысячекратно уменьшаются в объеме (Yantovski E.,
Gorski J., McGovern J., tenElshof J. Zero Emission Fuel Fired Power Plant with Ion Transport Membrane. 2nd
Annual Conference on Carbon sequestration, 5-8 May, 2003, Alexandria VA, USA).
Первая в мире демонстрационная безвыбросная электростанция мощностью 5 МВт с заменой азота
водяным паром введена в эксплуатацию в марте 2005 г. американской фирмой Клин Энержи Системе. В
проекте предусмотрено применение полученного CO2 для повышения нефтеотдачи в ближайшей скважине (Anderson R.,Doyle S., Pronske K. Demonstration and commercialization of Zero Emission Power Plant,
29 Conf. On Coal Utilization, 18-22 Apr., 2004, Clearwater USA).
Кислород предполагается получать криогенным методом с использованием азота в дополнительном
цикле, утилизирующем сбросное тепло.
Наиболее продвинутым проектом безвыбросной установки с ИТМР (ионно-транспортный мембранный реактор) является АЗЕП компании Альстом, Норск Хайдро, Сименс с группой более мелких
участников (Sundquist S., Ecklund H. AZEP-an EC funded project for development of a CCGT power plant
without CO2 emission. 4th Nordic Minisymposium on CO2 Capture and Storage, Espoo, Finland, 8-9 Sept.,
2005).
Здесь используется ИТМР типа «монолит», его активная часть изготовляется методом экструзии,
химический состав которой не публикуется. Особенность проекта - объединение ИТМР и камеры сгорания, что позволяет использовать обычную газовую турбину на нагретом в реакторе воздухе.
В России получение CO2 как продукта при работе безвыбросных электростанций и использование
его для повышения нефтеотдачи также давно известно. Схема такой электростанции с турбинами на CO2
и мнение экспертов-нефтяников о полезности закачки CO2 приведены в 1992 г. (Янтовский Е.И. Дым
уходит под землю. Углекислый газ повысит нефтедобычу, а не парниковый эффект. Наука и жизнь.
№ 11, 1992): «Метод вытеснения нефти углекислым газом в значительной мере испытан в промысловых
условиях. С ним связаны важные перспективы повышения нефтеотдачи пластов...».
Известны методы повышения нефтеотдачи путем закачки в пласт углекислого газа и водяного пара
высокого давления, а также кислорода для организации процесса горения нефти в пласте. Широкое применение этих методов сдерживается высокими ценами при получении указанных агентов воздействия на
пласт из разных источников, зачастую далеких от пласта.
Известны попытки создания единого источника энергоснабжения нефтепромысла от одного источника с собственной первичной энергией в виде попутного газа (Е. Yantovskii, G. Wall, L. Lindquist,
J. Tryggstad, R.A. Maksutov, K.N. Zvagolsky, V.A. Gavrilenko OCDOPUS project Oil Enhancement Carbon
-1-
012979
Dioxide Oxygen Power Universal Supply. FLOWERS'94, Proceedings of the Florence World Energy Research
symposium, Firenze,Italy, 1994, p 697-706), цитируем перечисление «новая установка энергоснабжения,
способная производить все, что нужно для повышения нефтеотдачи, мощность, CO2, азот, кислород, острый пар и горячую воду». К недостаткам можно отнести устаревший, громоздкий и дорогой криогенный
способ получения кислорода и применение турбин на углекислом газе, не выпускаемых до сих пор.
Основной задачей настоящего изобретения является повышение нефтеотдачи путем активного воздействия на нефтенасыщенный пласт. Предлагаемый способ позволяет производить все известные на
сегодня агенты такого воздействия:
жидкий (сверхкритический) CO2, снижающий вязкость нефти при растворении;
водяной пар, снижающий вязкость нефти за счет повышения температуры;
кислород для частичного сжигания нефти на забое, которое сопровождается значительным повышением температуры;
электроэнергию для подачи на забой высоковольтным кабелем.
Естественно, вырабатываемая электроэнергия может быть использована для питания нефтяных насосов, электробуров, насосов промывочной жидкости и других нужд промыслов. Извлечение нефти в
растворе с CO2 потребует отделения CO2 от нефти и его захоронения для предотвращения выброса в атмосферу. Комбинированная выработка всех агентов в одной форсированной установке (устройстве)
обеспечивает минимальные капитальные и текущие затраты по сравнению с раздельной выработкой на
разных установках.
Используется новый способ разделения воздуха с получением чистого кислорода в ИТМР. В качестве основного двигателя используется широко применяемый на нефтепромыслах поршневой двигатель
либо двигатель по циклу Отто или Дизель.
Увеличение нефтеотдачи пласта достигается посредством закачки углекислого газа, вырабатываемого многофункциональной энергетической установкой с поршневым двигателем, функционирующим
на природном газе, включающей в себя мембранный реактор с керамическими ионно-транспортными
мембранами из окислов металлов, в нефтяную залежь, где посредством регулирования соотношения объемов закаченного CO2 и пластовой нефти и давления нагнетания создают техногенную ретроградную
газожидкостную систему, позволяющую увеличить нефтеотдачу продуктивного пласта, главным образом
за счет растворения нефти в углекислом газе и ее движения на поверхность в газообразном состоянии.
Поставленная задача достигается также закачкой в нефтяную залежь двух других продуктов деятельности предложенной многофункциональной энергетической установки.
Основным преимуществом поршневого двигателя по сравнению с турбиной является значительно
более высокий КПД при требуемом уровне мощности в несколько мегаватт. Ни одна из газовых турбин в
простом цикле (без паротурбинной части) не имеет КПД выше 30%, тогда как поршневой двигатель
Вяртсиля 12У34 80 на природном газе (с электрогенератором) имеет электрический КПД 46% при мощности 4040 кВт. Если же двигатель форсировать (Shokotov M., Yantovski E. Forcing of Zero Emissions
Piston Engine by Oxygen Enrichment in Membrane Reactor. 5th Annual Conf. On Carbon Sequestration.
Alexandria VA.USA, paper 012, 8-11 May, 2006) путем увеличения доли кислорода, как предусмотрено в
настоящем предложении, то КПД может вырасти еще на 5-10 процентных пунктов.
Получение механической мощности для привода электрогенератора из химической энергии горючего происходит путем выделения теплоты при реакции горения в цилиндре двигателя
CH4 + 2O2 => CO2 + 2H2O + 800 кДж/моль или 800/16 = 50 кДж/г метана.
При полном сгорании в стехиометрической смеси образуются только углекислый газ и водяной пар.
В отличие от обычных двигателей выхлопные газы не содержат азота, удаленного в мембранном реакторе. Максимальная температура горения определяется долей кислорода в горючей смеси.
Мембранные реакторы разрабатываются многими фирмами. Как пример, ниже приводим конструкцию реактора «вафельного» типа фирмы Аир Продактс (США)/, производящий чистый кислород из воздуха с давлением 10-20 бар и температурой 800 -900°С (Armstrong P., Sorensen J., Foster T. ITM Oxygen,
Progress report, Gasification Technologies, 12-15 Oct., 2003). Тонкий слой собственно мембраны толщиной
в доли миллиметра нанесен на прочную пластину из пористой огнеупорной керамики. Собственно мембрана не пориста, она обладает ионной и электронной проводимостью при температуре 800-1000°С и
состоит из окислов металлов, таких как лантан, стронций, железо, кобальт, медь.
Кислород из воздуха адсорбируется на поверхности, его двухатомная молекула распадается на атомы, присоединяющие по два электрона и мигрирующие как двухзарядные ионы сквозь мембрану. Электроны остаются внутри керамики и мигрируют обратно, а нейтральные атомы кислорода рекомбинируют
в молекулы и образуют поток чистого кислорода из реактора. Движущей силой потока ионов кислорода
служит разность парциальных давлений кислорода до и после мембраны. Изменяя разность давлений,
можно соответственно изменять поток кислорода.
Длительные испытания подтвердили стойкость мембран и расчетную плотность потока кислорода
около 1 г/м2⋅с.
Ни в одной из публикаций до настоящего времени не предлагалось использовать ИТМР с форсированным поршневым двигателем для получения CO2 с закачкой в нефтяную залежь или для получения
-2-
012979
других агентов воздействия на пласт с целью повышения нефтеотдачи.
Схема такой установки приведена на чертеже фигуры, где VM - поршневой двигатель, H1, H2 - теплообменники, AMR - мембранный реактор, SB - паровой котел, R2, R3, R4 -радиаторы-охладители, Nmmтеплота механических потерь, Mi - смеситель, KU - муфта сцепления, АВ - разделитель потока CO2, Ne эффективная мощность, отданная электрогенератору, WS - отделитель воды, Т - воздушная турбина,
С - воздушный компрессор.
Потоки на схеме: 1 - вход горючей смеси, 2 - газы из двигателя, 3-4 - охлажденные газы, 5 - CO2 и
Н2О, 6 - обезвоженный CO2, 7 - рециркуляция CO2, 8 - вал турбокомпрессора, 9 - отвод CO2 из цикла,
10 - инжекция водяного пара, 11 - вход горючего газа, 12 - отбор технологического кислорода, 13 - редуктор, 14 - охлаждающая вода, 15 - газовая сеть, 16 - компрессор горючего газа, 17 - отвод воды,
18 - вход воздуха из атмосферы, 19 - сжатый воздух, 20 - нагретый сжатый воздух, 21 - воздух, отдавший
кислород, 22 - воздух на выходе в атмосферу, 23 -воздух, нагретый в Н2, 24 - воздух на входе в паровой
котел, 25 - сжижение CO2 для инжекции, 26 - аккумулятор конденсированной воды, 27 - кислород из реактора, 28 - кислород из теплообменника, 29 - холодный кислород в смеситель.
В предлагаемой схеме (см. фигуру) снабжение реактора нагретым сжатым воздухом производится
турбокомпрессором Т-С на отдельном высокооборотном валу, подобно применяемым для турбонаддува
дизелей. Воздух, выбрасываемый из турбины, не содержит никаких продуктов сгорания, он совершенно
безвреден для атмосферы. При регулировании потока кислорода можно изменять его молярную долю в
смесителе, увеличивая ее до пределов стойкости цилиндра, поршня и клапанов при повышении температуры. Известные методы нанесения керамических покрытий из карбида кремния, нитрида кремния, двуокиси циркония позволяют форсировать поршневые двигатели в предлагаемой системе.
Для регулирования предусмотрена система поворотных лопаток на входе воздуха в турбину и в
компрессор. Поворот лопаток изменяет давление воздуха, нагнетаемого в мембранный реактор, а следовательно, поток кислорода и его мольную долю в горючей смеси. В таблице ясно показано изменение
мощности с ростом доли кислорода при соответственном росте расхода горючего.
Описание работы предлагаемого устройства
1) Основной цикл.
Горючим служит свободный или попутный газ. Если его давление в сети 15 недостаточно, оно повышается в компрессоре 16 с электроприводом. Газ смешивается в смесителе с углекислым газом из потока 7 и кислородом из 29, образуя горючую смесь, поступающую в поршневой двигатель на всос цилиндров с электрическим зажиганием. После сжатия, сгорания и расширения с производством полезной
работы из двигателя выходят выхлопные газы, состоящие из CO2, Н2О и особенно вредных примесей,
которые в обычных двигателях выбрасываются в атмосферу. В данной схеме изначально не содержащие
азота выхлопные газы потоком 2 поступают в нагреватель Н2, отдавая тепло уходящему воздуху, затем в
нагреватель H1, нагревая входящий воздух, затем в потоке 28 охлаждаются в радиаторе-охладителе и
потоком 5 поступают в отделитель воды. При температуре охлаждающей воды 14 вода в продуктах сгорания конденсируется и в жидком виде отводится из цикла. Возможна ее рециркуляция для повышения
мощности в турбине или цилиндре двигателя. Но в любом случае стационарного режима вся вода от сгорания водорода в газе выводится из цикла в 17. Ее также можно использовать как питательную воду парового котла для инжектирования пара в 10.
Обезвоженный CO2 потоком 6 поступает в разделитель. Меньшая его часть, равная количеству CO2
от сгорания углерода в газе, отводится потоком 9, сжижается путем сжатия и охлаждения в 25 и поступает в инжекционную скважину. Большая часть рециркулирует по линии 7 обратно в цикл для образования
горючей смеси, в которой CO2 играет роль удаленного азота.
Чистый кислород, полученный в мембранном реакторе 27, потоком 28 поступает в охладитель и затем 29 в смеситель, образуя горючую смесь. Если для повышения нефтеотдачи применяется сжигание
нефти на забое путем инжекции кислорода, его отводят в 12.
2) Вспомогательный цикл.
Атмосферный воздух 18 сжимается в компрессоре и поступает по 19 в нагреватель H1, а затем в
мембранный реактор по линии 20. Отдав примерно 70% кислорода, воздух (в основном азот) по 21 нагревается в Н2 и по 23 поступает в воздушную турбину, не только приводящую компрессор на валу 8, но
и дающую добавочную механическую мощность для привода электрогенератора через редуктор 13 и
обгонную муфту. Для повышения мощности перед турбиной предусмотрен впрыск воды из бака - аккумулятора 26. Воздух после турбины 24 еще достаточно нагрет, чтобы получать пар в котле для закачки в
скважину 10. После котла воздух выбрасывается в атмосферу. Никаких продуктов сгорания он не содержит и поэтому совершенно безвреден.
-3-
012979
Результаты расчета.
Для расчета (см. таблицу) выбран типичный поршневой двигатель с искровым зажиганием и наименьшей номинальной мощностью 100 кВт, чтобы расчет был представительным. При большей мощности показатели улучшаются. Диаметр цилиндра и ход поршня одинаковы - 0,092 м, степень сжатия 16,
число цилиндров - 6, коэффициент наполнения - 0,85. Температура в точках 29, 6, 7, 9, 17 равна 313К.
Из таблицы видно, что повышение концентрации кислорода приводит к важным последствиям. Наряду с ростом КПД на 6 абс.%, мощность возрастает более чем вдвое и, соответственно, возрастает производство углекислого газа. Подобное форсирование является существенной частью настоящего предложения.
Рост температуры уходящего воздуха приближает ее к температуре в технологических котлах, что
позволяет использовать стандартные котлы для производства пара высоких параметров, закачиваемого в
скважину.
Однако одновременно повышение температуры вызывает требование защиты двигателя тугоплавким покрытием поверхности поршня и цилиндра. Такие покрытия хорошо известны.
Геолого-промысловые предпосылки реализации предлагаемого способа.
Особенности процесса воздействия нагнетаемого CO2 на нефтегазовую залежь зависят от его агрегатного состояния.
В случае превышения пластовых температур над критической температурой углекислого газа, а это
наиболее вероятная ситуация в природных условиях, имеет место надкритическое газообразное состояние. В этом варианте CO2, обладающий исключительной растворяющей способностью по отношению к
углеводородным жидкостям при прямом растворении в пластовой нефти, снижает ее вязкость и резко
повышает фильтрационные возможности, а при избыточных объемах (по отношению к свободной нефти)
растворяет нефть, приводя ее в газообразное состояние (ретроградное испарение).
В предлагаемом способе учитывается механизм ретроградного испарения нефти в газообразном
CO2, т.е. процесс формирования техногенной газоконденсатной системы, которая затем через систему
добывающих скважин подается в сепарационные установки на поверхности, где происходит процесс
ретроградной конденсации смеси с разделением на жидкую фазу (нефть) и газообразную (CO2).
Существование газоконденсатных (газожидкостных) систем, для которых характерен процесс ретроградного испарения, хорошо известно в данной области техники (см., например, В.В. Доценко. Геохимия газа. Происхождение нефти и газа., Ростов-на-Дону, 2001, с. 19-20).
Известно множество работ по изучению в камерах RVT ретроградного растворения (обратного испарения) свободной нефти в углеводородных газах и CO2, в которых изучали основные параметры, регулирующие этот процесс: давление в системе и исходное соотношение в ней газообразных и жидких углеводородов (см., например, Жузе Т.П. и др. Об оценке соотношения объемов газовой и жидкой фаз в нефтегазоконденсатных залежах по данным лабораторных исследований. Геология нефти и газа, 1961, № 7;
Мартос В.Н. и др. Фазовое поведение газоконденсатной системы при разбавлении ее азотом и углекислым газом. Информ. Сборник НГД ПО «Рекомендуемые разработки для внедрения в нефтяной промышленности», 1990, № 11. Кушниров В.В. и др. Новые экспериментальные данные об агрегатном состоянии
газообразных и жидких углеводородов в области высоких давлений и температур. Доклады АН Республики Узбекистан, 1993, № 1).
Аналогичные процессы, происходящие в природных углеводородных газожидкостных системах,
рассмотрены в работах С. Закса «Увеличение нефтеотдачи частично истощенного пласта путем нагнетания в него газов высокого давления». Известия АН СССР, № 9, 1955, В. Кушнирова «Формирование рет-4-
012979
роградных газожидкостных систем и прогноз нефтеносности в зонах их распространения». Диссертация
на соискание ученой степени доктора геол.-минерал. наук. М., 1989, а также патент ЕА 005023.
В соответствии с предшествующим уровнем техники на практике о факте создания техногенной
ретроградной газожидкостной системы судят по результатам замеров в контрольных скважинах, когда
продукт, получаемый в контрольной скважине, представляет собой свободный газ с конденсатом (высококипящими углеводородами) (патент ЕА 005023, колонка 3, абзац 2).
Эффективность этого процесса будет определяться системой размещения нагнетательных и добывающих скважин, соотношением объемов закачиваемого в нефтяную залежь CO2 и свободной нефти,
пластовой температурой и давлением закачки.
Предлагаемый способ откладывает на определенный период времени разработку сформированной
техногенной газоконденсатнонефтяной залежи (этот период рассчитывается), однако значительно увеличивает нефтеотдачу продуктивных пластов.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ увеличения нефтеотдачи пласта посредством закачки углекислого газа, вырабатываемого
многофункциональной энергетической установкой с поршневым двигателем, функционирующим на
природном газе, включающей мембранный реактор с керамическими ионно-транспортными мембранами
из окислов металлов, в нефтяную залежь, где посредством регулирования соотношения объемов закаченного CO2 и пластовой нефти и давления нагнетания создают техногенную ретроградную газожидкостную систему, позволяющую увеличить нефтеотдачу продуктивного пласта за счет растворения нефти в
углекислом газе.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют форсированный поршневой двигатель с окислителем в виде смеси кислорода с рециркулирующими продуктами сгорания.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для функционирования поршневого двигателя используют кислород, полученный путем выделения его из воздуха с помощью ионно-транспортного мембранного реактора.
4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что в мембранный реактор подают нагретый
сжатый воздух от турбокомпрессора, при этом выходящий из турбокомпрессора воздух нагревают теплом от рециркулирующих продуктов сгорания поршневого двигателя.
5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что для разогрева пласта и снижения вязкости
нефти в залежь закачивают кислород, необходимый для частичного сжигания нефти в призабойной зоне.
6. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что в скважину закачивают отводимый от многофункциональной установки водяной пар.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
-5-