CN102119259A - 沥青生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种方法，该方法用来生产用于隔离在枯竭的油砂储层内的富含CO2的物流，以及用于由油砂储层原位生产沥青的富含CO2的氧化剂的生产和应用。
Description
本申请要求2008年8月12日提交的美国临时专利申请系列号第61/088,038号的优先权。
背景技术
本发明的一般领域涉及由地下沉积物，特别是焦油砂沉积物生产重油和沥青。更具体来说，本发明涉及通过原位燃烧回收沥青或重油的方法，该方法显著减少二氧化碳的排放。
在世界上的很多地区有大量的油砂矿藏，例如加拿大的阿尔伯达省，美国的犹他州，怀俄明州和科罗拉多州以及委内瑞拉。但是由于沥青的粘度非常高，使得难以对这些丰富的资源进行商业可行且环保的开发。常规的油可以在无需通过加热来减小粘度的条件下高效地回收。可以通过注入二氧化碳减小常规的油的粘度，提高回收的油的质量。但是，为了降低极重的油或沥青的粘度，以便获得合理的生产速率，需要大量的能量输入。与常规的油相比，这种高的能量输入会提高沥青的生产成本，增加二氧化碳排放。随着常规油储量的减少，人们一直希望开发一种方法，以环保的方式更廉价地开采这些资源。
人们最初是通过使用“热水”法(CA2004352)从矿渣中提取烃类来生产沥青的。此种方法存在四个问题。首先，开矿会对土地有影响。其次，大部分沥青储层埋藏过深，无法通过开矿廉价地回收。第三，此种方法需要大量的本已匮乏的水。第四，此种方法需要很高的能量输入，相对于常规油生产，这会显著降低净产能量，增加CO2排放。
水蒸气辅助和重力排泄(SAGD)的原位沥青生产方法(US 4,344,485)是现有的经济上最成功的开采较深的沥青储层的方法。该方法使用水平的上方水蒸气注入井和下方水平沥青生产井。尽管此种方法能够在比采矿法更深的深度廉价地生产沥青，但是此种方法也需要大量的水，还需要很多能量来生产水蒸气。人们通常使用不直接加热的锅炉(US 2007/0266962)产生SAGD水蒸气，该过程通常需要宝贵的天然气燃料，会导致显著的CO2排放。US 4,224,991描述了一种氧气-燃料燃烧法，该方法向燃烧区域注入水，以控制温度，产生水蒸气，用于生产重油。另外，直接接触水蒸气发生器也可以有益地使用水来控制预先混合的O2-燃料进料的可燃性(US6,206,684)，或者用来冷却燃烧室壁(US 2,359,108)。
人们已经认识到，原位燃烧沥青生产工艺能够通过以下手法解决SAGD工艺的许多问题：[1]产生水，而非消耗水，[2]使用较低价值的沥青组分作为能源，而非使用外来的优质燃料，[3]对沥青进行原位品质升级，以及[4]简化CO2的回收。在原位燃烧工艺中通常使用垂直氧化剂注入井，以及垂直的(US 4,722,395)或水平的(US 5,456,315)生产井。人们提出了将很多种氧化剂用于原位生产工艺：空气(US 5,456,315)，空气-O2(US 4,557,329)，O2-水(US 5,027,896)，O2-水蒸气(US 4,133,382)，O2-CO2(US 4,410,042)和O2-CO2-水蒸气(US 4,217,956)。可以优选地将加氢处理催化剂加入生产井中，使用原位生成的氢气对沥青进行原位品质升级(US 6,412,557)。有一定的努力试图对原位燃烧沥青生产工艺产生的废气加以利用。例如，US4,454,916讲述了使用高度富含空气的氧化剂(≥50体积％的O2)用来从原位重油生产工艺产生的废气分离二氧化碳，从而制得低热值燃料气。
由于很多的因素，使得从常规沥青生产工艺俘获和隔离二氧化碳不够现实。首先，沥青生产工艺产生的气体排放物总是具有极低的二氧化碳浓度，通常约为15摩尔％。其次，沥青生产设备通常具有很多的气体排放位置。第三，沥青生产设备的经济寿命远远小于大部分其它的大型二氧化碳排放源(例如燃煤发电设备)的寿命。不幸的是，沥青生产工艺具有高的二氧化碳排放速率。例如，采矿和SAGD沥青生产工艺的二氧化碳排放速率通常约为90和60千克/油桶(kg/bbl)生产的沥青。因此，沥青生产排放的二氧化碳可能会成为二氧化碳排放的一个显著来源，会对全球变暖造成显著影响。例如，预期由加拿大的油砂产生沥青的产量会从2008年的一百三十万桶/天增加到2030年的大约四百万桶/天。如果使用常规的技术来满足预期的市场需求，那么到2030年，相关的二氧化碳排放会每年增加大约六千万公吨，即约为加拿大2006年的二氧化碳总排放量的大约10％。因此，人们很明确地需要一种实用的沥青生产方法，该方法产生的二氧化碳排放量低得多，这是现有技术未能满足的。
发明内容
本发明涉及一种连续的沥青原位生产方法，该方法包括以下步骤：
a)用水蒸气将不可冷凝的气体从油砂储层吹出来；
b)使得包含氧气、二氧化碳和水蒸气的气态氧化剂物流与油砂储层中的沥青接触；
c)将来自油砂储层的生产井产物分离为沥青、水、砂和燃料气流；
d)通过使得所述燃料气与基本纯的氧气燃烧，制得富含二氧化碳的气体；
e)使用基本纯的氧气和一部分所述富含二氧化碳的气体作为所述气态氧化剂物流的组分；以及
f)将余下的所述富含二氧化碳的气体的绝大部分隔离在枯竭的油砂储层中。
附图说明
图1是地下的油砂储层中的井对的简略图。
图2是氧化剂氧气含量对石油焦炭气化温度和沥青生产热能输入要求的影响的曲线图。
图3显示常规的氧气燃烧器和发电系统。
图4是采用二氧化碳俘获和隔离的原位沥青生产方法的方框流程图。
图5总结了油砂储层CO2生产和隔离能力随着储层操作条件性质的变化关系。
具体实施方式
图1是地下油砂储层的简图。这些油砂储层包含沥青，所述沥青是具有高密度(通常大于1千克/升)，高残留物含量(通常会产生约50重量％的标准沸点高于525℃的组分)以及高粘度(通常在40℃的粘度约为27,000cP)的烃类燃料。地下油砂储层中的沥青通常会与沥青矿脉区(bitumen bearing zone)1中的砂子或粘土紧密结合。沥青矿脉区1通常位于覆盖层2下方50-500米处，厚度为5-50米。沥青矿脉区1的气态物料通常被覆盖层2中某处的上方阻挡层3以及下方区域5中某处的下方阻挡层4限制。
图1还用来显示该连续沥青生产方法的关键特征。通常，通过注入井7将吹扫水蒸气6注入沥青矿脉区1，对不可冷凝的气体(主要是氮气)进行预热，并将其从沥青矿脉区1吹扫出来。所述水蒸气从注入井7通过沥青矿脉区1，流到生产井8，通过井产品9线路离开。如图1所示，所述生产井8可以是垂直的管子，或者优选是包括位于沥青生产区1下方的水平段的垂直管子。可以优选使用生产水蒸气10加热生产井8以及与所述生产井8相邻的区域。
为了简化起见，图1考虑了最直接的将单个注入井7和单个生产井8配对用于油砂储层的情况。但是，通常人们以矩阵结构形式使用许多的注入井和生产井的配对，以提高由地下油砂储层生产沥青的速率和量。一旦吹扫水蒸气6代替了沥青矿脉区1中的不可冷凝的气体，人们就会通过注入井7将含氧气的氧化剂11连续地注入沥青矿脉区1。该方法可以用来通过氧化剂注入井7和生产井8的任意设置，使用氧化剂11的连续流，由地下油砂储层生产沥青。而使用单个井交替地供给氧化剂和收集产品的交替“吹-吸”式原位燃烧工艺则不包括在本发明范围之内。
所述连续原位燃烧沥青生产方法可以考虑在沥青矿脉区1的三个区域内进行：沥青枯竭区12，石油焦炭区13，以及沥青生产区14。下面将结合这些区域描述该连续原位沥青生产工艺。
所述沥青枯竭区12可以看作基本无烃的区域。通过注入井7将含氧气的氧化剂11加入所述沥青矿脉区1。所述氧化剂11从注入井7流入，基本不受影响地渗透通过枯竭区12，直到其遇到高温石油焦炭区13。所述氧化剂11中的氧气很快地与过热的石油焦炭13反应，主要产生一氧化碳和氢气。制得的高温气流渗透通过石油焦炭区13，在沥青生产区14的前缘遇到了沥青，由此引发了吸热的焦化反应，由此维持了一个良好限定的石油焦炭区13，该石油焦炭区逐渐从氧化剂注入井7向着生产井8的垂直段移动。所述吸热的焦化反应调节了气体，从而提供了适当的介质，用来对沥青生产区14内的沥青进行加热，减小其粘度，促进沥青流向下方的生产井8。然后，沥青生产区14中制得的燃料气体15作为使得生产井8的垂直段内的气体上升的驱动烟气，将井产品9输送到常规的气-固-液分离器16，该分离器将井产品9物流分离成燃料气体15，沥青17，水18，和砂19产品物流。
为了方便、安全和工艺的原因，通常将氮气用作氧化剂11中的主要稀释剂。图2显示了氧气浓度和稀释剂种类对石油焦炭汽化温度(左边的纵轴)的影响。二氧化碳稀释剂可以通过吸热的逆向Boudouard反应而显著降低由于较高氧气浓度造成的温度升高： 
当来自石油焦炭区13的高温且富含CO的气体最初接触到沥青生产区14中的沥青的时候，会形成另外的石油焦炭。由于以下三个原因，二氧化碳稀释剂能够比氮气更有效地用于沥青生产区14。首先因为二氧化碳的比热容大于氮气，因此二氧化碳能够更有效地对沥青生产区14进行加热。第二，由石油焦炭汽化得到的CO产物中储存的几乎所有的化学能都通过放热的Boudouard反应，以热能地形式释放到沥青生产区14中：
第三，也是最重要的一点，二氧化碳在沥青中的可混和性会显著减小沥青的粘度，由此显著减少沥青生产所需的能量。
图2还总结了使用主流的沥青生产工艺生产沥青的时候所需的热能输入(右边的纵轴)。第一点在于，采矿的能量输入需求高于任何的原位沥青生产工艺。SAGD沥青生产工艺仅仅使用水蒸气加热来促进沥青的生产。与SAGD工艺相比，空气原位沥青生产工艺将燃烧热与适中的二氧化碳分压相结合，将能量输入需求减少了大约15％。与SAGD相比，所述二氧化碳-氧气燃烧原位沥青工艺通过增大二氧化碳的分压，将所需的热能输入减少了65-82％，具体取决于氧化剂的氧气浓度。很明显，优选的氧化剂稀释剂是二氧化碳。优选的氧化剂压力为10-50巴，更优选20-40巴，优选的O2浓度为10-40摩尔％，更优选为15-30摩尔％。
图3显示了一种常规的氧气燃烧器和发电系统，其可以用来生产富含CO2的气流38，所述气流可以作为包含优选的CO2稀释剂的氧化剂11的关键组分。因为在沥青矿脉区1通过石油焦炭汽化反应制得的很大一部分一氧化碳和氢气在沥青生产区14被转化为二氧化碳和水，所以沥青焦化反应产生的气态烃类产物(主要是甲烷)是燃料气15中的主要燃料组分。当氧化剂11中的氧气含量从10摩尔％增大到40摩尔％的时候，燃料气15的热值从大约1.6MJ/Nm3增大到大约6MJ/Nm3。作为参考，天然气的热值通常约为40MJ/Nm3。在O2-燃料水蒸气锅炉20中对燃料气15进行预热。当燃料气15的热值约小于3MJ/Nm3的时候，可以优选将天然气21加入预热的燃料气22中，以保持合理的燃烧温度。当燃料气的热值显著大于3MJ/Nm2的时候，可以对富含CO2的气体23进行再循环，以限制燃烧火焰温度。
对基本纯的氧气进料24的进料速率进行设定，使得O2-燃料水蒸气锅炉20排出的气体25中的氧气含量约大于1摩尔％。基本纯的O2的O2含量优选大于70摩尔％，更优选大于90摩尔％，最优选大于95摩尔％。所述O2-燃料水蒸气锅炉20使用来自常规发电机29的再循环冷凝水28以及锅炉进料水30制得高压水蒸气27(通常约为60巴)。所述高压水蒸气用来在发电机29中发电31，产生吹扫水蒸气6，用来将不可冷凝的气体从沥青矿脉区1移出，产生生产水蒸气10，用来加热生产井8以及生产井8附近的沥青生产区14。通常使用含水涤气器32对O2-燃料水蒸气锅炉20的排出气25进行调节和从中除去SO2。通常使用含水石灰石浆液33作为碱，从O2-燃料水蒸气锅炉20的排出气体25中除去SO2，产生含水CaSO3浆液副产物34。通常使用空气冷却器35来控制涤气器32的排出气体36中的水含量。使用吹风机37提供动力，将富含CO2的气体再循环23送到O2-燃料水蒸气锅炉20，并为排出的富含CO2的气体38提供动力。
图4是采用二氧化碳俘获和隔离的原位沥青生产方法的方框流程图。方框39表示预备用于沥青生产的油砂储层。方框40和41表示分别用作CO2源和接收体的枯竭的油砂储层。这些枯竭的油砂储层用于长期的地下CO2隔离以及短期的地下CO2储存，以满足井对启动的时候周期性的高CO2需求。图4显示了方框39，40和41的一般特征，理解为沥青生产区14会从注入井7延伸到方框39的生产井8的垂直段，沥青枯竭区12从注入井7延伸到生产井8的垂直段，用于方框40和41表示的枯竭的油砂储层。
初始的油砂储层39启动步骤使用吹扫水蒸气6除去不可冷凝的气体。吹扫水蒸气由O2燃烧器和发电机42制得。图4显示了O2燃烧器和发电机42的常规结构。所述不可冷凝的气体主要是氮气，经油井产物19、气-液-固分离器16和不可冷凝的气体吹扫物流43从用于沥青生产的油砂储层39吹扫除去。然后，加入用于生产的油砂储层39的氧化剂11最初是通过以下方式获得的：将来自枯竭的油砂储层CO2源40的起始CO2气体44以及来自O2燃烧器和发电机42的任何过量的富含CO2的气体45与来自常规低温或压力浮动吸附O2发生机47的基本纯的O246混合，获得所需的氧化剂流速和O2含量，通常氧气含量为10-40摩尔％。根据井对的设计，氧化剂流速通常为1000-6500Nm3/hr。一般来说，需要一些输入的电能48来满足全部的基本纯的O2输入的需求49。所述氧化剂压缩机50将氧化剂进料11加压至所需的压力，通常为10-50巴，优选为20-40巴。将氧化剂11注入沥青矿脉区1，如前文所述以及图1所示，产生燃料气15，沥青17，水18和砂子19。如前文所述以及图3所示，将燃料气15输入O2-燃料燃烧器和发电机42，产生电能31，吹扫水蒸气6，生产水蒸气10以及富含CO2的气体38。
所述CO2隔离压缩机51对任何过量的富含CO2的气体生产52进行压缩，制得高压CO253，用来以30-70巴的压力隔离在枯竭的油砂储层CO2接受体41，所述压力取决于产生的CO2的量以及油砂储层的性质。图5显示了一种用来估计油砂储层的CO2容量(Nm3/bbl生产的沥青)随油砂储层的砂-沥青比例(MT/bbl)的变化关系的方法，使用实施例所示的隔离压力和用于隔离的CO253的参数随实施例所示的沥青生产操作条件的变化。储层CO2容量必须是用于隔离的制得的CO2的绝大部分，优选大于66％，更优选大于80％，最优选大于或等于100％。如果制得的用于隔离的CO2大于油砂储层容量，则可以将过量的制得的CO2隔离在补充的CO2隔离储层中。
实施例
该实施例将总结图4的系统的关键操作条件和性能指标，其中氧化剂11包含21摩尔％的氧气和CO2和N2稀释剂，以及10摩尔％的O2氧化剂和CO2稀释剂。常规的低温O2发生器47制得95摩尔％的氧气，作为基本纯的氧气49进料物流，其中氩气作为主要的杂质。对于所有的情况，所述O2-燃料水蒸气锅炉20在1500℃的火焰温度下操作，制得482℃和61.7巴的高压水蒸气。对于所有的情况，天然气21较低的热值为37MJ/Nm3。对于所有的情况，生产水蒸气10的流速为200千克/小时/井对。对于所有的情况，氧化剂11的压力为35巴，流速为2500Nm3/小时/井对。通过很多参数来评价以下氧化剂情况的性能：CO2中含21％的O2，N2中含21％的O2，以及CO2中含10％的O2。例如，氧化剂进料速率分别为82.3，220和87.5Nm3/bbl，这表明CO2稀释剂能够非常有效地提高沥青产量。燃料气15较低的热值分别为3.1，3.0和1.9MJ/Nm3，这表明燃料气的热值会随着氧化剂的O2浓度增大而增大，与稀释剂种类的关系很小。所述燃料气15的内能分别为255，660和140MJ/bbl。所述天然气进料的内能分别为2，690和145MJ/bbl。净的电能需求分别为6.7，-0.2和4.0千瓦小时/bbl。最重要的是，用于隔离的富含CO2的气体53的具体流速为19，380和12.5Nm3/bbl，以图5为基准计，将会需要砂子与沥青的比例约为1.75和2.5MT/bbl，以便以等于CO2中含有10％和21％的O2的氧化剂的操作压力即35巴的隔离压力，隔离所有的用于隔离的富含CO2的气体53。该砂与沥青的比例范围在油砂储层中发现的常规范围之内。很明显，对于基于空气的原位沥青生产工艺，如果用于隔离的富含CO2的气体53的具体流速为380Nm3/bbl，则在实际范围之外。
虽然关于本发明的具体实施方式描述了本发明，但是显然，本发明的许多其他形式和改变对本领域普通技术人员是显而易见的。本发明所附的权利要求书应被解释成包括在本发明的真正精神和范围之内的所有这些显而易见的形式和改变。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种原位沥青或重油生产方法，该方法包括
a)用水蒸气将不可冷凝的气体从油砂储层吹扫出来；
b)通过使得工艺产生的富含二氧化碳的燃料气体与基本纯的氧气燃烧，制得工艺产生的富含二氧化碳的气体；
c)通过将基本纯的氧气加入至少一部分所述工艺产生的富含二氧化碳的气体中，制得富含二氧化碳的氧化剂，将余量的工艺产生的富含二氧化碳的气体隔离在油砂储层中；
d)使得所述富含二氧化碳的氧化剂与油砂储层中的沥青接触；
e)将生产井产物分离为沥青、水、砂和富含二氧化碳的燃料气流；
f)将所述工艺产生的富含二氧化碳的气体的绝大部分隔离在枯竭的油砂储层中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生产是连续进行的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富含二氧化碳的氧化剂包含氧气、二氧化碳和水蒸气。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吹扫水蒸气是由氧气燃烧器制得的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用来隔离在枯竭的油砂储层中的余量的所述富含二氧化碳的气体的绝大部分大于66％。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中的接触是通过注入进行的。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富含二氧化碳的氧化剂物流包含10-40摩尔％的氧气。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富含二氧化碳的氧化剂物流的流速为1000-5400Nm3/小时。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富含二氧化碳的氧化剂物流的压力为10-50巴。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤d)中的接触是通过注入进行的。
Claims (10)
1.一种原位沥青或重油生产方法，该方法包括
a)用水蒸气将不可冷凝的气体从油砂储层吹扫出来；
b)使得气态氧化剂物流与油砂储层中的沥青接触；
c)将来自油砂储层的生产井产物分离为沥青、水、砂和燃料气流；
d)通过使得所述燃料气与基本纯的氧气燃烧，制得富含二氧化碳的气体；
e)使用基本纯的氧气和一部分所述富含二氧化碳的气体作为所述气态氧化剂物流的组分；以及
f)将余下的所述富含二氧化碳的气体的绝大部分隔离在枯竭的油砂储层中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生产是连续进行的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气态氧化剂物流包含氧气、二氧化碳和水蒸气。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吹扫水蒸气是由氧气燃烧器制得的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用来隔离在枯竭的油砂储层中的余量的所述富含二氧化碳的气体的绝大部分大于66％。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中的接触是通过注入进行的。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气态氧化剂物流包含10-40摩尔％的氧气。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气态氧化剂物流的流速为1000-5400Nm3/小时。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气态氧化剂物流的压力为10-50巴。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)中的接触是通过注入进行的。
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