CN101652617B - 天然气处理系统 - Google Patents

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Abstract

将含有二氧化碳的采出天然气脱水并冷却以使二氧化碳液化，然后分馏以产生液态二氧化碳和硫化氢的废流。在分馏之前可首先分离和除去天然气凝析液。分馏之后，加压废流并转移至相隔一定距离的用于废流的注入或处置的注入井，并且优选用于将烃推向开采井。将烃流从分馏塔输送至除去二氧化碳气体的甲醇吸收器系统。然后将烃流至少分离成烃气、氮气和氦气。将一些氮气再引入分馏塔中以提高烃的回收率。提供了一种甲醇回收系统以回收和再利用甲醇。烃作为天然气出售，并且回收及出售氦气。排放多余的氮气。

Description

天然气处理系统
优先权要求
本申请要求于2007年2月12日提交的美国专利申请第11/674,083号的优先权。
技术领域
本发明涉及采自开采井的采出气的处理，更具体地涉及处理采出气以富集烃气，并分离烃气、其他有用的气体和液体、某些包括废气的无用气体，以及以合适的形式处置废气以将其注入与开采井分开的注入井。
背景技术
如今天然气广泛地应用于家庭加热和烹饪。本文所使用的术语“天然气”是指从钻入地面或地层的井中(即产气井)开采的各种烃气。采出气从开采井中抽取，并且可在井口处理以去除某些污染物。随后通过管道将其送至气体处理装置。取决于获得的采出气，输送的采出气是气体与一些可能的天然气凝析液体(NGL)的混合物，这些天然气凝析液体可被分离出来用作烃类产品的独立的来源。除去NGL后的采出气可包含各种比例或量的一种或多种如下气体和水∶甲烷(CH4)和其他烃气、及二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、氦气(He)、硫化氢(H2S)、其他气体，其中其他烃气为例如乙烷(C2H6)和丙烷(C3H8)。采出气也可包含更少量其他物质，例如气体夹带的颗粒和液体。基于开采井、该井正在开采时的地层及该井所处的地理区域(即“气田”)，该混合物通常有所不同。
气体处理装置接收来自一些采出气源中的任何一种的采出气流，这些采出气源包括一个或多个连接起来以接收来自一个或多个由不同方面拥有或控制的开采井，或者来自一个或多个存储结构的气体的管道。气体处理装置用于从无用气体中分离有用的气体，若存在天然气凝析液时则用于除去天然气凝析液。有用的气体包括需要的烃气例如甲烷，其从如二氧化碳和硫化氢的无用气体中富集并分离。然后将需要的烃气与其他气体分离，并导入合适的管道运输至用户。采出气中的一些其他气体也是具有商业价值的，如氦气，这些气体可被分离和回收而出售。在某些情况下，通过排放或燃烧处理无用的气体。
在某些应用中，可从采出气中分离并商业出售二氧化碳和氮气。但是由于经济条件以及其他因素，将二氧化碳和氮气排放到大气中，并不回收。
已经开发了许多用于处理包含采出气的气流的方法。例如，现已有用于干燥气体、除去污染物、分离在气流中的不同的气体、富集某些气体和洗涤废气的方法。在HYDROCARBON PROCESSING，2002年5月，(Gulf Publishing Co.)，(Gas Processes 2002的第63至122页)中概括了许多可用的方法。在80至81页中记载了处理采出气流的合适的方法。
由于具有令人不快的气味或味道，将硫化氢气体排放到大气中是不受欢迎的。排放二氧化碳也被认为是生态学上不合适的或不希望的，特别是对于涉及处理来自开采井的采出气这样的量。
将二氧化碳处理入注入井被认为是一种可行的操作。使用二氧化碳气体来促进开采井的开采也是已知的。但是现在还没有快速除去和处理例如二氧化碳和硫化氢的无用气体的方法。特别是还未知快速的且生态学上可接受的以提高开采井采出率的方式处理废气(包括从采出气中分离的二氧化碳)的方法。
发明概述
首先，采出气可从任何合适的来源获得，例如采出井、管道或存储结构。通过处理采出气而从与烃气一起开采出的至少一种废气中分离烃气，将烃气转化或处理成有用的烃气。废气或废物是指这样的任何气体和物质：其存在于采出气中并且不希望被排放到大气中，并且优选以生态学可接受的方式处理。烃气作为该处理方法的输出而提供，而采出的废气以液体形式被提供至注入井来处置。注入井优选地与开采井之间具有一定的距离。钻打注入井用以接收液态的废气，或是为接收液态的废气而从其他用途的井转变成注入井的井。优选地，将液体形式的废气(如二氧化碳)注入注入井并输送至合适的地质结构并达到该地层中期望的地层(stratum)以进行处置。
将采出气转变成有用的烃流的优选的方法包括：首先将采出气脱水至其含一些形式的水的量在一定范围。在一更优选的方法中，在脱水后接着冷却脱水的采出气。然后将冷却脱水的采出气处理成含有期望的烃的第一流和含有液体形式废气的第二流。该方法优选包括在冷却步骤后对冷却脱水的采出气实施分馏，将采出气变成所述的第一流和所述第二流。在更优选的应用中，将采出气冷却至一定的温度，在该温度下至少一些所述废气(例如二氧化碳)处于液体形式。
采出气包含例如甲烷的烃气。采出气也可包含多种例如氮气的其他气体和例如二氧化碳和硫化氢的废气。
在优选的方法中，分离采出气并优选将其分馏成第一流和第二流。第一流包含例如甲烷的烃气以及氦气、氮气和一些气态的二氧化碳。第二流包含液态废气，例如二氧化碳。第二流也可包含其他废气，例如也是非液态的硫化氢。
在优选的方法中，进一步处理第一流以除去二氧化碳气体。然后将采自第一流的二氧化碳气体返回并合并入正在分馏的采出气，如此将二氧化碳合并入第二流。然后将除去了二氧化碳的第一流进一步处理，并优选分馏成烃气、氦气、甲烷和氮气输出。
在更优选的系统中，将第一流通过甲醇吸收器处理，在甲醇吸收器中的甲醇吸收二氧化碳。然后处理吸收了二氧化碳的甲醇以分离二氧化碳和甲醇。返回二氧化碳以与采出流合并而进一步分馏并合并入废气流。回收和再利用甲醇。
在供选的方法中，将采出气提供至进口系统以实现脱水。然后将脱水的采出气提供至热交换器以在脱水后快速冷却采出气。随后优选通过分馏来实现快速分离已脱水冷却的气体，以提取任何液态而不是气态的待注入注入井的硫化氢和二氧化碳。
分离之后，加压硫化氢和二氧化碳液体以将它们转移至注入井并注入。注入井优选地与开采井保持一定距离，例如1～3英里。然而，此距离可在小于1英里至数英里间变动。将注入井设置成使得可将第二流注入用于接收和保留第二流的地层或岩层(strata)。应该理解的是可将第二流一次注入数个地层和数个岩层中。在优选的方案中，将第二流注入气田中的注入井和地层或岩层，以用作一种将烃推离注入井的力量。如果附近有至少一个开采井，则认为一些可采收的烃将被推向开采井。在注入井附近具有多个开采井的气田中，第二流将烃推向气田中的多个开采井。
在更优选的方法和系统中，使用甲醇系统除去分馏后的第一流夹带的二氧化碳。使用单独的甲醇回收系统来回收甲醇并再利用回收的甲醇。
在供选的方法和系统中，在分馏塔中处理采出气，该分馏塔在其顶部第一出口处提供含有烃的流。分馏塔具有顶部和底部，并且最优选地将其构建成在近底部的位置接收氮气流，以提高在分馏塔顶部的甲烷的回收率。
在优选的方法和系统中，将热交换器方法用于接收和冷却采出气，并且在该方法中实现热量向其他气体或从其他气体的交换。在一些系统和方法中，将采出气冷却至一定温度，在该温度下一些如二氧化碳的气体处于液态或基本处于液态。优选提供一个进口系统以在冷却之前先对采出气脱水。
在脱水和冷却后，优选将采出气提供至这样的处理装置：其优选包括分馏塔，使用该分馏塔将从热交换器接收的冷却和脱水的采出气分离成含有烃的流和含有废气的流。处理装置也优选包括用于从含有可回收烃的流中分离二氧化碳的处理装置系统。处理装置系统最优选是连接成接收含有烃的流的甲醇吸收器。甲醇吸收含有烃的流中的二氧化碳。然后优选将吸收了二氧化碳的甲醇提供至甲醇回收系统，该系统用于将所述二氧化碳流分离成二氧化碳和甲醇。然后优选将二氧化碳返回而与采出气合并，并且将甲醇再利用。
在优选的方法和系统中，也将所述含有烃的流输送至氮气排除装置，该装置可从流中的烃分离氮气和氦气。将烃导向出口并进一步连接至各用户的输气管道。将氦气和氮气提供至分离系统以回收氦气作为商品，并分离氮气，氮气可商业出售或排放，或可将其返回并注入分馏塔以提高甲烷的回收率。
本发明的这些和其他特征及功能将在以下描述和权利要求更全面更清晰地说明。
附图简述
为进一步说明本发明的上述和其他优点和特征，参照在附图中示出的具体的实施方案更具体地说明本发明。应该理解的是这些附图仅说明了本发明典型的实施方案，因此不应认为是对本发明范围的限制。本发明将通过以下附图更具体和详细地说明和解释本发明，其中：
图1的框图说明了将采自开采井的气体处理成分离的气流，并将废气以液体形式注入任选靠近开采井的注入井的系统；
图2是图1的部分系统的局部更加详细的系统图；
图3为从图1系统中的其他气体中分离烃的系统的部分系统图；及
图4是分离图1系统的氦气与氮气的系统的部分图。
发明详述
“天然气”是指包含有用的烃(例如甲烷)的气体。其可从气田中的一个或多个地面井或开采井中采收，气田的大小不一，但是其表面通常有数平方英里。开采井位于含有期望的烃的地层之上。在多井的气田中，开采井被钻至产气的地下地层并相互间隔。在井口的抽提时，采出气中通常含有水和水蒸气，并伴随有一些夹带的颗粒甚至其他液体。在一些情况下，井口的设备除去了夹带的液体和颗粒。例如，可在近井口处使用过滤器和旋风分离器以除去采出气中的颗粒和水，从而将相对洁净的采出气流输送至合适的管道而输送至气体处理设备。来自几个井的采出气可通过一个或多个管道被输送至气体处理设备。另外，在输送至气体处理设备之前，可将采出气暂时存储于合适的存储结构中。气体处理设备接收来自被认为是合适来源的的采出气。除期望的烃气外，采出气还可包含大量的二氧化碳、一些硫化氢、显著量的氮气、一些天然气凝析液体和一些氦气。若存在天然气凝析液，则需在处理采出气之前将其除去。组成采出气的气体的精确混合比或组合因井、气田的不同并随时间而变化。烃通常被认为是有用的气体。其他例如氦气的气体也可被采收，因此也可被认为是有用的气体。对于此应用的其他气体，如氮气和二氧化碳是无用的。在本文中将一些无用的气体如可被视为污染物的二氧化碳和硫化氢称之为“废气”。
在井口的任何处理之后，将采出气输送至气体处理设备，这些设备通常合理地建造在靠近生产采出气的气田处。安装的气体处理设备首先用于除去任何天然气凝析液，然后将采出气分离成有用烃或天然气的合适的气流和其他有商业价值的气体流。排放掉或燃烧掉商业价值低或无商业价值的其他气体。例如，现在氮气是适于销售的，但是当运输成本会使得其过于昂贵时，会将其排放掉。相似地，已经采收二氧化碳并用于商业出售。但是，二氧化碳的经济价值已经改变，所以如今在许多情况下会将其排入大气。然而，排放量是非常巨大的。例如，一中型的气体处理设备现在每天可排放数吨二氧化碳。
图1是气体处理系统10的简化的框图，其中在没有向大气中排放气体的情况下，来自采出井12的烃的产率得以最大化，并且同时有利地使用废气来提高烃从开采井或采收气田中的采收率，及提高烃从处理中的采出气中的收率。如图所示，在气田中钻探采收井(removal well)或开采井12以采收来自地层16的气体14。将该气体14在井口18处理，然后通过管道32提供至气体处理系统10。应该理解的是多开采井可连接起来以将采出气提供至例如系统10的气体处理系统。
如图1所示，气体处理系统10具有进口系统22、热交换器24、处理装置26、注入系统28及第二气体分离系统30。首先看进口系统22，其通过管道32接收采出气。可以预料到当采出气14到达井口18时会夹带相当量的水分。取决于井和气田，可在井口18处提供旋风分离器或类似的脱水设备(未显示)以除去夹带的水分，而会在来自井口18的采出气31中留下一些水蒸气。为降低流动水对管道的侵蚀作用(erosive effect)并且也为了减少腐蚀，最好除去夹带的水分。
将采出气31提供至用于降低采出气31中的水含量的进口系统22。来自井口的采出气中的水含量为1％至高于15％。如果不脱除水分，含有大量水分的气体具有非常强烈的侵蚀性和腐蚀性。当其遇到管道中的转弯处或其他干扰流动的地方时，可以预料到一些水会析出或凝结成水滴。在高粘度时，这些水滴会变得非常具有侵蚀性。一些气体(例如硫化氢)也会溶于水而生成具有强烈腐蚀性的酸。
进口系统22将采出气31中的水的百分比降至一个小的总的气体的百分比。优选地，其将来自井口31的采出气中的含水量降至低于1％重量或体积，更优选地降至约0.02％重量或体积。系统中任何形式的水包括水蒸气是越少越好。
现已知一些合适的脱水系统，包括例如DRIGAS系统、Drizo气体脱水系统和Eco Tag系统。见HYDROCARBON PROCESSING，2002年5月(GulfPublishing Company)的65页和66页。已知基于乙二醇的系统，也可根据需要使用其它系统。分子筛系统现在也用于脱水。
经过脱水系统22的处理之后，将脱水的采出气34(见表1)通过合适的管道36提供至热交换器24。热交换器24用于将热量从一种液体或气体交换或转移至另一液体或气体。如下文所述，优选将热交换器24构建成用于向一些不同的流动流转移热量和转移来自这些不同的流动流的热量，以实现有效地节约热能或冷能，从而最小化对独立的热源或冷源的需求。
典型的热交换器具有各种不同的大小、外形及流程布置(flowconfigurations)。为完成交换，热交换器由具有良好传热系数的材料构成。热交换器构被建成在管道或其他合适的液流通路中使一种流体处于与另一种流体相对的位置，以便于热量能从一种流体通过被设计成或被选择用来最大化热传导的管道传导至另一种流体。如果给定了流入流体的流速和温度范围及流出流体期望的温度和流速，本领域技术人员可计算出待传导的热量，并在用于接收热能或冷能或作为热源或冷源流体特性已知的情况下计算出交换器的大小、构造及外形。热交换器可被构建成使两种流体处于以不同方式流动的位置，例如错流、逆流、平行流或环流，并且包括它们的组合和变化，以影响热传导的效率和速度。
本文所使用的热交换器24用于将温度为约80℉至约140℉的热的流入采出气34冷却成温度为约-38℉(零下38度，华氏温度)的冷却采出气。基于包括外部温度、日光及流速的众多因素，来自井口18的采出气31的温度将不同，因此热交换器24可包括调节一种或多种流体的热交换速度的装置以形成该方法中各种流体流的稳定的温度曲线。这可通过温度检测传感器及连接在该温度检测器上的装置完成，例如机械地改变典型热交换器24管束的管数或设置在靠近热交换器24入口处的流量调节阀，从而调节流经热交换器24的一种或多种不同流(所述流将在下文说明)在热交换器24的流入侧或流出侧的流动。
在图1的系统10中，希望在脱水之后迅速地且明显地将脱水采出气34的温度降至所选定的气体(如二氧化碳)凝结的温度。事实上，在-38℉下，可以预料到大部分的二氧化碳(例如约80％)与硫化氢(例如约80％)一起，甚至一些水，会凝结成液体。液体是便于除去的。由于液体是侵蚀性的和腐蚀性的，从热交换器24至处理装置26的管道38是短的，并且也是绝热的以使冷却的采出气42吸收最少的热量。即，将处理装置26放置于与热交换器按照实际尽量近的地方以使得管道38的长度最短，所述管道38用于输送含有废气(如夹带的液态二氧化碳)的冷却的脱水采出气42。
处理装置26用于将冷却的脱水采出气42分离成流44和第二流46(或废流)，所述流44含有期望的烃气或天然气，有时也称之为烃流，第二流46含有无用的组分并且有时候被称为废流或二氧化碳流。即，将不期望的或废弃的物质分离成其它或第二流46，并随后处理。
将第二流46通过管道48提供至注入系统28。注入系统28如此命名是因为其实际上用于收集从采出气中分离的液体并将该液体置于再注入地下的条件下，而不是置于排放的条件下。在图1中，注入系统28包括可以是一个或多个如泵50的泵设备。这些泵设备例如泵50用于提高第二流46的压力至合适的压力从而将流转移至甚至注入注入井52。注入系统28包括从泵设备延伸至注入井井口56的管道54。即，井52被钻入地下并深至将接收液体的地层58。将受压的第二流60提供至装有合适的保护阀及其他井口结构的井口56，以将受压的第二流60向下导入井管62。井管62被设定为一定的长度以将受压的第二流60导入地层58。图1在平面上说明了地层58和注入井，然而应该理解的是事实上地层在所有方向上包围着井管62。因此，在井周围所有的方向上实现了注入。
在采油和采气中，将气体和液体注入注入井，以处理气体或液体或者通过将烃推向开采井而促进开采是已知的。为此目的可特意钻探注入井。曾经是开采井的现有的井也可转用于此目的。然而，还未知的是，将废气的液态流从采出气体快速形成液流，以及将废弃液体注入注入井而处理或用于促进开采。
优选在同一气田中将注入井52设置于距开采井12一定距离处，或与开采井12间隔设置。然后优选在相同的气田中，加压废液从而将其提供至相距一定距离的其他气田而注入注入井并处理。在，此处所示的间隔或距离64被选择用来使注入井52位于与开采井12的产烃地层的相同的气田中。即，确定注入井52的位置，并钻探至深度53以达到开采井12的产烃地层或地层16。将受压的第二流60注入注入井52并进入地层58(其可与产烃地层16的一部分相似或是产烃地层16的一部分)将引入会迁移的物质。预计迁移流体60会代替并因此将烃推离注入井52，随后推向附近的任何一个或多个如开采井或采收井12的开采井。即，第二流被加压，并将被推入并经过地层58。由地层或气田确定开采井12与注入井52之间的距离64，此距离可以是数百码至数英里(例如，多于5英里)甚至穿过一个大气田。
注入井52可以简单地是一个枯竭井(即不产出天然气或其他烃)或相对易于钻到的及这样类型的新井：在压力下第二流60被注入数个地层中的一个而被保留在井中。
在本文系统10中，除痕量的其他烃如乙烷(C2H6)和丙烷(C3H8)外，采出气31含有甲烷(CH4)。其也含有一些二氧化碳(CO2)、氮气(N2)和氦气(He)。在样品中也发现了硫化氢，但是是少量的。硫化氢即使是少量的，其也是具有非常强的侵蚀性，所以需要将其除去。在一些气田中，气体的比例各有不同，并且可同时发现其他气体。例如，已知各种硫化合物污染了一些来自其他气田的采出气流。
在所有的情况下，处理装置26被构建成用于分离冷却脱水的采出气42以尽可能快地除去冷却脱水的采出气42中的不期望的组分。因为当硫化氢与任何残留水或湿气结合时会形成酸，因此需使用方法除去硫化氢。在方法早期除去可避免或降低任何酸对系统结构的腐蚀作用。由于相同的原因也需立即降低水含量。虽然二氧化碳具有商业应用，但现在其在市场上已广泛地销售，所以在系统10中不提供用于商业销售的回收。相反地，二氧化碳被视为不期望的非烃物质，由于报道其与全球变暖有关，其甚至被视为污染物。因此，处理装置26被构建成用于除去尽可能多的二氧化碳并将二氧化碳以液体提供至注入井而注入。因此，系统10不释放二氧化碳至大气中，从而将处理作业的经济性提高至与向大气排放二氧化碳相关的成本的范围。换言之，系统10用于将二氧化碳和硫化氢分离成第二流46，该第二流被返回其来自的地球，故因此并不会污染大气。当然，优选将废气或第二流46在注入井52中的位置注入以提高开采井12的采收率，再更优选地提高在同一气田中的多个开采井的采收率。
第一流44含有期望的烃气以及氦气和氮气。通过单独的气体分离或采收系统30进一步处理第一流44以在出口66处采收氦气以供商业销售，并在出口68处采收烃气以供商业销售。氮气虽然在商业上也是有用的，但是其是广泛可得。因此，将其排放入大气70。在一些应用中，将氮气通过管道72返回处理装置26以提高如下文所述的甲烷回收率。
优选安排处理装置26使用分馏塔80，该分馏塔被构建成主要用于在其排出口82分离二氧化碳和硫化氢。将二氧化碳和硫化氢通过重沸器84，在其中将进入流的温度升至足以释放待回收气体的温度。在如系统10的系统中，采出气包含天然气凝析液(NGL)，在排放82之后可增加单独的分馏步骤，以从流81除去NGL。然而应采取步骤来控制温度并保持其足够低，以便于第二流46在管道48中以液体形式存在。重沸器可以是在系统10中的从另一种流(如丙烷流)采集热量的热交换器；或可以设置单独的热源，例如电线圈。如下文所述，供选地及优选地通过提供冷凝流体将热量从甲醇脱除冷凝器166经管道178提供至重沸器84。使用泵(未显示)经过管道179将冷却的冷凝流体返回冷凝器166。重沸器分离出另外的可回收的气体83，并通过再循环管道88从重沸器84提供至分馏塔80。在实践中，将可采收气体83再引入以再分馏塔80中进一步处理或分馏。明显地，氮气管道72任选地与再循环管道88相连以在分馏塔80的底部或底部附近增加分馏塔80的氮气供给。分馏塔80是具有底端90和顶端92的竖直朝向。在分馏过程中，氮气具有这样的物理性质，以至于其从低端90上升并朝顶端92移动。已知氮气置换在分馏塔80中的液体中的甲烷，如此额外的氮气将增加向甲醇吸收器120的供给98中甲烷的回收率。
在冷却脱水的采出气42中二氧化碳的量是非常大的，可以多至约65％至70％体积。在分馏塔80中并未除去所有的二氧化碳，故其中一些仍留在输出98中，输出98也包含可回收的烃气(例如甲烷)、氮气和氦气。任选的是将分馏塔80的输出98经提供管道96提供至甲醇除去系统94，但是在本文中是优选的。甲醇除去系统94用于除去输出98中的二氧化碳，这样第一流44中完全不含或基本不含有二氧化碳。
由于甲醇价格较高，甲醇除去系统94将甲醇-二氧化碳流125提供至用于分离甲醇和二氧化碳的甲醇回收系统100。甲醇回收系统100具有输出102以将回收的甲醇103经返回管道104返回甲醇除去系统94。甲醇回收系统100也具有单独的输出106，其将回收的二氧化碳108经管道110提供至热交换器24，以在经管道112再引入分馏塔80中之前加热。
现见图2，其更详细地说明了图1系统的一部分。将脱水采出气34(见表1)提供至热交换器24，其通过丙烷流114在热交换器24中大程度地冷却，所述丙烷流经管道116在-43℉或约-43℉(零下43度，华氏)提供至热交换器24，并在约88℉的温度下通过管道118离开热交换器24。如上和下文所述的方法，其他流体流在热交换器24中加热和冷却。
将冷却脱水的采出气42提供至处理装置26，更具体地提供至处理装置26的分馏塔80。将分馏塔80构建成将冷却脱水的采出气42分馏或分离成第一流和第二流。第一流之前已被称为输出98，也可称之为烃流。将其经管道96提供至甲醇除去系统94，更具体地将其提供至如下文所述的甲醇吸收塔120。
分馏塔80是常规的可被称为20塔板塔的分馏塔。其可从任何一些钢制容器或塔的制造商获得，并被构建成含有20个分馏塔板。这些塔板可从例如达拉斯及得克萨斯休斯顿的Jaeger Products，Inc.之类的供应商处购得。分馏塔80通常由高质量的钢构成，并设计大小以处理来自一个或多个例如井12(图1)的开采井的物料的体积。当在20塔板塔中实行此处所示的分馏过程时，可使用实现期望的分馏的其他结构或设计。分馏塔80被构建成用于分离二氧化碳和硫化氢，并在排出口82处以液态形式作为第二流81输送。即使在排出口82处的流81(表1)中除去了大量二氧化碳，然而第一流或输出98还是含有二氧化碳气体。因此如下文所述，提供甲醇除去系统94、更具体地甲醇吸收器120以除去在第一流98中的残留的二氧化碳。
将来自分馏塔80的在排出口82处的流81提供至重沸器84，此重沸器用84用于升高温度至足以使得一些轻质气体沸腾，从而回收一些甲烷、氦气、氮气和其他气体，并将这些气体作为气体83提供至分馏塔80以进一步处理并富集于第一流或输出98中。重沸器84的流输出回连至塔80；并准备处理含有超过90％的二氧化碳的液态流46。将液态流46提供至注入系统28，在该处其通过一个或多个泵50加压并在升高的压力下经管道54提供至注入井52，所述升高的压力在此应用中约为3500磅每平方英寸(绝对压强，psia)。在下表1和下表2中，列出了用于说明本发明的开采井12提供的采出气31和34的如上所述的压力、温度及各种流的一般组成。应该理解的是不同的开采井及在不同气田中的开采井将得到具有不同气体并且气体比例不相同的采出气。将所述采出气以从公开的实施例中明显看出的原理处理。
表1流组成、温度和压力
  流体编号   温度℉   压力PSIA   CH4％   N2％   CO2％   He％   H2S％   丙烷5   甲醇％
  34   85   660   18.7   7.3   69.7   0.6   3.5   0.1
  42   -38   659   18.7   7.3   69.7   0.6   3.5   0.1
  44   -35   650   69.1   28.5   ～0   2.34   0.02   0
  46   46   655   1.33   0.006   93.7   ～0   4.7   0.134   0.016
  60   91   3500   1.33   0.006   93.7   ～0   4.7   0.134   0.016
  81   42.5   655   2.14   0.014   93.08   ～0   4.49   0.126   0.013
  83   46   655   5.14   0.04   90.82   ～0   3.72   0.095   0.002
  98   -35   654   47.9   17.9   31.4   ～1.42   1.27   0.04
  103   -38   650   0   0   ～0   0   0.09   0   99.9
  108   120   659   15.17   1.58   79.71   0.006   3.2   0.09   0.07
  125   6.5   650   2.98   0.31   15.67   ～0   0.7   0.018   80.28
  127   -10.8   110   30.24   3.4   64.9   0.013   1.07   0.06   0.1
  134   -23   90   15.2   1.6   80   0.006   3.2   0.09   0.07
  147   -10.8   110   0.33   0.008   10.87   ～0   0.67   0.13   88.1
  165   154.5   89   2.01   0.05   73.01   ～0   4.67   0.09   20.07
  167   -30   89   0.029   ～0   20.36   ～0   3.84   0.034   75.7
  171   -30   89   2.72   0.07   91.95   ～0   4.96   0.11   .046
  175   244.3   89   0   0   0.029   0   1.93   ～0   98.03
  177   244.3   89   0   0   ～0   0   0.09   0   99.9
甲醇除去系统94包括甲醇吸收器120，所述甲醇吸收器120接收来自供给管道96的气体98，并将气体98通过由甲醇循环管道104提供的甲醇梯级流(cascading flow)。甲醇吸收器120除去了二氧化碳，从而具有烃输出122(也被称为第一流44)，该烃输出经过管道124至如下文所述的第二气体分离系统30。在甲醇除去系统94中甲醇除去了二氧化碳；将含有二氧化碳的甲醇125经排出管道126提供至含有甲醇闪蒸室128的甲醇回收系统100。在所述闪蒸室128中，将压力降低至约100psia以闪蒸出二氧化碳。二氧化碳以气体127经返回管道129通过混合器130，并经另一返回管道132通过热交换器24。在热交换器中，将二氧化碳组合物108从约-23℉加热至约100℉。然后，将二氧化碳组合物108经管道144提供至数个压缩器(例如压缩器136和138)以增加压力，用于将其再引入分馏塔80。从而温度升高。如冷凝器140和142的冷凝器用于控制温度并将温度控制在期望的范围内。然后将二氧化碳108经管道146输送至分馏塔80进一步分离以回收更多烃在流98中，并增加经排出口82除去的二氧化碳。
甲醇闪蒸室128通过闪蒸室出口148并经管道149将甲醇147以液态提供至用于冷却管道152中的甲醇的逆流热交换器。通过泵154经管道156将甲醇提供至热交换器24，在热交换器中甲醇被从约2℉加热至约38℉，然后提供至甲醇补充罐158。然后将甲醇经管道104提供至甲醇吸收器120。将单独或外部甲醇供给经管道159提供至补充罐158以替换在系统运行中失去的甲醇。
逆流热交换器150也将大部分是气态的甲醇混合物(但也含有一些液体)经管道162提供至包括甲醇汽提塔160的甲醇汽提系统159。甲醇汽提塔160是从甲醇中分馏任何残留的二氧化碳的分馏塔。然后经管道163将分离的二氧化碳165提供至冷却器164和冷凝器166。将液体167经管道168返回汽提塔160以再处理。将二氧化碳171经管道170提供至混合器130以再引入如上所述的分馏塔80。回收的甲醇是热的(约240℉)，将其通过排出管道172循环或处理至重沸器174。重沸器174进一步加热回收的甲醇来分离气体175，以在甲醇汽提塔160中再处理。重沸器174分离液态的甲醇177而将其经管道176输送至逆流热交换器150以循环回至甲醇吸收塔120。重沸器174接受来自任何其他合适的液体或气体管道或来自独立来源的热量173。来自冷凝器166的液体冷凝液可经管道178环流至连接有分馏塔的重沸器84以提供热量。
在图2中也可看出，氮气的供给可任选地从下述氮气分离器经管道72提供至管道88，以再引入分馏塔80。提供的氮气具有这样的作用：其将替代在分馏塔80中的液相中的甲醇以提高在供给管道96中的甲烷回收率。
在图2中可以看出热交换器24在不同的流之间转移热量以保存能量及降低成本。热交换器24设置有数个液流通路以实现期望的加热和冷却。显然，经管道116提供的丙烷114是一次冷却剂。使用单独的冷却系统冷却丙烷114并将其以冷却剂提供。同时提供另一丙烷流117用于相似的目的。在图2中，其作为热源接收，所以在其经排出管道118离开热交换器24后，其温度从约100℉至105℉下降至60℉或以下。
在图3中，将烃流44经管道124提供至热交换器202。烃流44从约100℉冷却至-30℉(零下30度，华氏)并经管道204提供至分离器206。分离器206除去氮气和氦气并将其以流207(表2)经管道208回送至热交换器202。将液态烃流210经管道211提供至混合器212，在混合器中其被气化并与如下文所述的另外回收的烃(若有的话)合并。经管道215将合并的流213提供至一个或多个压缩器，如压缩器214、216、218，这些压缩器一起将压力增至约285psia。相关的冷却器220、222、224在压缩加热之后冷却气体。然后将烃流225提供至混合器226以与另外回收的烃混合以形成供出售的流228，该供出售流通过压缩器230和冷却器232加压和冷却以作为系统10的天然气输出234输送。
表2：流组成、温度和压力
  流体编号   温度℉   压力PSI   CH4％   N2％  CO2％   He％   H2S％   甲醇％
  207   -30   646   69.1   28.47  ～0   2.34   0.024   0.009
  215   90   17.86   96.88   3  ～0   0   0.034   0.013
  225   120   285   96.88   3  ～0   0   0.034   0.013
  228   120   415   96.88   3  ～0   0   0.03   0.013
  241   -167.5   295.1   88.55   11.44  ～0   0   0.003
  243   -171.9   295.1   94.86   5.05  ～0   0   0.026   0.01
  251   -167.5   295.1   96.88   3  ～0   0   0.034   0.013
  253   -167.5   295.1   96.88   3  ～0   0   0.034   0.013
  257   -240   293.1   96.88   3  ～0   0   0.034   0.013
  273   -254.3   18.86   96.88   3  ～0   0   0.034   0.013
  275   90   17.86   96.88   3  ～0   0   0.034   0.013
  277   -244.7   294.9   5.45   90.99   3.56   0   0
  279   -252.3   294.9   2   90  0   8   0   0
  281   -300   292.9   2   90  0   8   0   0
  285   -300   292.9   0.032   18.1  0   81.86   0   0
  293   -254.5   292.9   0.57   92.15  0   7.28   0   0
  297   -254.5   292.9   2.21   97.5  0   0.26   0   0
  299   -299.5   19.5   2.21   97.5  0   0.26   0   0
  301   70   15.5   2.21   97.5  0   0.26   0   0
将氮气和氦气混合物207冷却至约-200℉，并从热交换器202经管道236和调节阀238提供至氮气排除单元230。氮气排除单元是具有约18个塔板的分馏塔或一些其他的从烃(具体地包含甲烷)中除去氮气的合适的设备。氮气排除设备240具有排出口242，其通过重沸器244提供液态流243，以通过管道246转移至分流器248。重沸器244接收来自从热交换器202经管道245提供的合适液体的热量，这些液体经管道247返回至热交换器202。重沸器244将流243从约-171℉加热至约-167.5℉以分离少量流241，这些少量流被返回至氮气排除设备240以再处理而提高氮气的排除。然后分流器248将大多数的烃流251经管道252提供至热交换器202，流253中的剩余部分经管道250提供至热交换器202。在热交换器202中将管道252中的流加热至约90℉并随后连接至管道254。管道254将加热的气态流提供至混合器226，在混合器中气态流与流225混合而形成流228，其是用于出售的烃流。管道250连接至管道256，管道256连接至调节阀258和冷凝器260。将管道256中的流257在热交换器202中冷却至约-240℉(零下240度，华氏)，然后通过Joule Thompson膨胀阀258进一步冷却，接着转移至冷凝器260。将冷凝流体由罐266经管道269和271提供。加热流体273，然后将其在减压下经管道262提供至热交换器202，在热交换器中将其加热至约90℉，然后将其以气体275提供至混合器212以与流210合并形成流213。
将在氮气排除设备240中分离的氮气和氦气流277经管道267提供至冷凝器266，其在冷凝器中析出一些液体，将这些液体经管道265返回分离器240。然后将气体279经管道268提供至氦气回收设备278(图4)。烃经管道270和272通过热交换器单独循环以控制烃的液体/气体混合。以来自热交换器202的流单独加热重沸器244。重沸器244抽取来自排出口242的氮气并将其提供至氮气排除塔240以继续处理。
将氦气和氮气流279经管道268提供至图4中的热交换器280以进一步将流冷却至-300℉(零下300度，华氏)，在此温度下，氮大部分是液态的，而氦是气态的。然后将流281经管道282提供至分离塔284，在该分离塔中除去了氦气285并将氦气经管道286提供至氦气出售系统。在排出口288处提取氮流287并提供至重沸器290，该重沸器经管道289和291接收来自热交换器280的加热流体。如果自然循环不足，则需提供合适的泵。重沸器290加热排出流287以在其他物质中回收另外的氦气293，并将其经管道295返回至回收设备284以进一步分离。将氮297以液态形式从重沸器290提供至管道292。经管道292通过调节阀294提供氮输出297，所述调节阀294用于将管道压力降低至约20psia，因此进一步将温度降低至约-315℉(零下315度，华氏)。然后将流297提供至热交换器280，在热交换器中所述流被再加热回到约-300℉(零下300度，华氏)并在管道296中以气体299提供，在所述管道296中气体299连接至管道72以进一步输送至图2中的分馏塔80，并通过热交换器202中进一步处理，在所述热交换器中其温度升至约70℉。然后将未使用的氮气301经管道298排放。
回到图2，应该理解的是被提供至所述系统的热交换器24的采出气34基本不含天然气凝析液(NGL)。来自相同气田的采出气可能含有夹带的NGL，可将这些NGL除去并出售以提高从采出气34中的烃回收率。例如，在图2中，采出气34可经系统310(以虚线表示)处理以在如上所述的进一步处理采出气之前回收NGL。具体地，将经管道36进入热交换器24的采出气34通过热交换器24冷却，但是仅从约10℉冷却至约-10℉，以经管道312输送至分离器314。分离器314分离NGL并将其经管道316提供至合适的分离系统318。然后NGL可用于销售和/或进一步处理成合适的烃产品。然后将除去了NGL的脱水的采出气320经管道322返回热交换器24，在热交换器中其被冷却至期望的-38℉(零下38度，华氏)，然后将其作为脱水冷却的采出气42经管道324提供至管道38，以通过如上所述的处理装置26处理。
应该理解的是在系统10、更具体地图2-4的系统中为简化起见，许多管道过滤器、阀、温度检测器、流体检测器、压力检测器等未显示。本领域技术人员将认识到这些组件是明显需要的。另外为简化附图，未显示本领域技术人员已知的下水管和下水阀、安全阀、回流管路、泵及其他组件和操作部件。另外应该理解的是在所述实施例中的物料流(例如气体和液体)通过合适的管道装置输送，所述管道装置被写明为或确定为管道或管路。虽然可以使用任何合适的管道结构，期望基于流体物质而选择的管道的级别、大小和类型的会有所不同。例如，在3500psia下将废物输送至注入井的管道装置或管道将选择能经受该压力，并能耐受由于物料流中硫化氢引起的腐蚀的材料。
本发明在不离开其精神或基本特征的情况下可以以其他具体的形式体现。在各个方面，认为期望的实施方案是说明性的而不是限制性的。因此通过权利要求而不是上述描述说明了本发明的范围。在权利要求的等价的方法和范围内发生的所有变化都包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (34)

1.一种分离天然气的方法，其包括：
从采出气来源获得采出气，所述采出气包含烃气和二氧化碳；
将采出气脱水以形成脱水的采出气；
冷却所述脱水的采出气以形成脱水冷却的采出气，所述脱水冷却的采出气含有为液体的大部分所述二氧化碳；
分馏所述脱水冷却的采出气以分离所述烃气和剩余的为气体的所述二氧化碳以形成第一流，并形成包含所述为液体的二氧化碳的废液；
从所述第一流中分离所述烃气并提供所述烃气作为输出；及
提供所述废液作为废弃物输出。
2.一种分离天然气的方法，所述方法包括：
从采出气来源获得采出气，所述采出气包含烃气和至少一种废气；
将采出气脱水以形成脱水的采出气；
冷却所述脱水的采出气以形成脱水冷却的采出气；
分馏所述脱水冷却的采出气以形成含有所述烃气和二氧化碳气体的第一流、以及含有二氧化碳液体的第二流；
从所述第一流中分离所述二氧化碳气体并将该二氧化碳气体与所述脱水冷却的采出气合并；
提供所述烃气作为输出；及
提供所述二氧化碳液体作为废弃物输出。
3.如权利要求2的方法，其中所述分馏在冷却之后实行。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述采出气包含二氧化碳和硫化氢，并且其中所述废弃物输出包含所述硫化氢。
5.如权利要求4所述的方法，其还包括将所述废弃物输出的废液注入注入井。
6.一种分离天然气的方法，所述方法包括：
从采出气来源获得采出气，其中所述采出气还包含甲烷、氦气和氮气，以及包括二氧化碳和硫化氢的废物；
将采出气脱水以形成脱水的采出气；
冷却所述脱水的采出气以形成脱水冷却的采出气；
分馏所述脱水冷却的采出气以将所述采出气分离成第一流和第二流，并且其中所述第一流包含全部为气体的所述甲烷、所述氦气、所述氮气及所述二氧化碳气体，并且其中所述第二流具有为液体的二氧化碳和为液体的硫化氢。
7.如权利要求6所述的方法，其中处理所述第一流以除去第一流中的二氧化碳气体，将来自所述第一流的所述二氧化碳气体返回以与正在分馏的所述采出气合并。
8.如权利要求7所述的方法，将除去所述二氧化碳气体之后的所述第一流分离成所述氦气、所述甲烷和所述氮的输出。
9.如权利要求8.的所述方法，其中所述甲烷输出与天然气管道相连。
10.如权利要求6所述的方法，其中所述第一流通过带有甲醇的甲醇除去系统处理，以从所述第一流中除去所述二氧化碳。
11.一种分离天然气的方法，其包括：
从采出气来源获得采出气，所述采出气包含至少一种烃气和至少一种废气；
提供进口系统以将采出气脱水；
提供热交换器以冷却脱水后的采出气；
提供分馏塔以分离冷却后的采出气的气体；
将所述采出气提供至所述进口系统并运行所述进口系统以将所述采出气脱水并形成脱水的采出气；
将所述脱水的采出气提供至所述热交换器以冷却所述脱水的采出气而形成来自至少一种废气的至少一种废液，并且形成其中夹带有至少一种废液的冷却脱水的采出气；
将所述夹带有至少一种废液的冷却脱水的采出气提供至分馏塔，并运行所述分馏塔以将所述冷却脱水的采出气至少分离成烃流和所述废液，所述烃流至少包含二氧化碳气体和甲烷，并且所述废液至少包含二氧化碳液体；
从所述烃流中分离所述二氧化碳气体，并输送所述二氧化碳气体与夹带有至少一种废液的冷却脱水的采出气合并。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述热交换器位于所述进口系统之后。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述采出气包含硫化氢，并且其中运行所述分馏塔以将硫化氢包含在所述废液中。
14.如权利要求13所述的方法，其还包括提供带有甲醇的甲醇除去系统，其中将所述烃流提供至所述甲醇除去系统，并且其中运行所述甲醇除去系统使二氧化碳气体和甲醇结合而从所述烃流中除去二氧化碳气体并形成甲醇与二氧化碳的液体。
15.一种分离天然气的方法，其包括：
从采出气来源获得采出气，所述采出气至少包含烃气和二氧化碳；
快速冷却所述采出气以液化至少一部分所述二氧化碳；
将所述采出气分馏成第一流和第二流，所述第一流至少包含烃气和二氧化碳气体，所述第二流至少包含二氧化碳液体；
从所述第一流中分离所述二氧化碳气体，并提供所述二氧化碳气体与正在分馏成所述第一流和所述第二流的所述采出气合并；
提供所述第一流的所述烃气作为烃输出；及
提供所述第二流作为废弃物输出。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述采出气包含氮气和氦气，进一步处理所述第一流的所述烃气以分离所述氦气、烃气和氮气。
17.如权利要求15所述的方法，其中加压所述第二流并提供至注入井。
18.如权利要求15所述的方法，其中加压所述第二流并提供至注入井，并且其中将所述第二流注入所述注入井来废弃所述第二流。
19.一种分离天然气的方法，其包括：
从采出气来源获得采出气，所述采出气包含烃气和二氧化碳；
冷却所述采出气以形成二氧化碳液体；
将所述采出气分馏成第一流和第二流，所述第一流包含所述烃气和二氧化碳气体，所述第二流包含二氧化碳液体；
提供甲醇除去系统，并通过所述甲醇除去系统处理所述第一流以从所述第一流分离所述二氧化碳气体；
从所述第一流中分离所述二氧化碳气体，并提供所述二氧化碳气体与正在处理成所述第一流和所述第二流的所述采出气合并；
分离在所述第一流中的所述烃气并将其作为第一输出提供；及
提供所述第二流作为废弃物输出。
20.如权利要求19所述的方法，其还包括加压所述第二流、将所述第二流连接至注入井并将该流注入所述注入井。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述甲醇除去系统还包含甲醇吸收器系统，其中所述甲醇吸收器系统用于从所述第一流中除去所述二氧化碳气体。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述第一流包含氮气、氦气和甲烷，其中将所述第一流分馏成包含所述甲烷的可出售的流及包含所述氦气和所述氮气的另一种流。
23.如权利要求22所述的方法，其中首先将所述采出气脱水然后冷却以形成所述二氧化碳液体。
24.一种分离天然气的方法，其包括：
从采出气来源获得采出气，所述采出气包含甲烷和二氧化碳；
冷却所述采出气以液化至少一部分所述二氧化碳；
将所述采出气分馏成第一流和第二流，所述第一流至少包含所述甲烷和二氧化碳气体，所述第二流至少包含二氧化碳液体；
提供氮气源并将来自所述氮气源的氮气供应至与正在被分离为所述第一流和所述第二流的采出气合并；
从所述第一流中分离所述二氧化碳气体，并提供所述二氧化碳气体与正在处理成所述第一流和所述第二流的所述采出气合并；
提供所述甲烷作为第一输出；及
提供所述第二流作为第二输出。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述采出气的所述处理包括将所述采出气在具有顶部和底部的分馏塔中分馏成所述第一流和所述第二流，其中在靠近所述底部处将所述氮气引入所述分馏塔，并且其中在靠近所述顶部处将所述第一流从所述分馏塔中除去。
26.如权利要求25所述的方法，其中将所述第一流提供至吸收器系统，其中所述吸收器系统用于从所述第一流中除去二氧化碳气体。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述吸收器系统包含甲醇，并且其中所述甲醇与所述二氧化碳气体结合。
28.如权利要求27所述的方法，其中加压所述第二流并提供至注入井。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述第一流包含所述甲烷还至少包含氮气，其中将所述第一流分馏成烃气的输出和所述氮气的输出。
30.如权利要求29的方法，其中所述氮气的所述输出是所述的氮气源。
31.一种分离天然气的方法，其包括：
从采出气来源获得采出气，所述采出气包含烃气和二氧化碳；
冷却采出气以液化至少一部分二氧化碳；
将所述采出气分馏成第一流和第二流，所述第一流包含所述烃气和二氧化碳气体，并且所述第二流至少包含二氧化碳液体；
将所述第一流提供至带有甲醇的甲醇除去系统，并运行所述甲醇除去系统使甲醇与二氧化碳结合以形成甲醇与二氧化碳的液体；提供所述烃气作为第一输出；
从所述第一流中分离所述二氧化碳气体，并提供所述二氧化碳气体与正在处理成所述第一流和所述第二流的所述采出气合并；及
提供所述第二流作为第二输出。
32.如权利要求31所述的方法，其还包括连接成用以接收所述甲醇和二氧化碳的液体并用于分离所述甲醇和所述二氧化碳的甲醇回收系统。
33.如权利要求31所述的方法，其中首先将所述采出气脱水然后冷却以液化至少一部分二氧化碳液体。
34.如权利要求32的方法，其中所述第二输出包含液态二氧化碳。
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