CN105428675B - 一种基于伴生气的石油采集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于伴生气的石油采集系统及方法，所述方法，包括如下步骤，步骤一，将收集到的油井伴生气去除硫化物后进行催化重整得到燃烧原料气；步骤二，将燃烧原料气与空气一起通入到燃料电池堆中进行化学反应，产生热能和电能；步骤三，将电能输配到采油设备中用于石油开采，将热能收集后分别对输油管道和注水井的注入水加热。所述系统包括采油设备，重整器，空气压缩机，燃料电池堆和热交换器。本发明利用在采油过程中产生的伴生气作为燃料，进行去硫和催化重整后在燃料电池中进行反应供电，为采油设备提供能量来源，同时还能够将产生的热量进行利用，从而完成石油的开采，既解决了油井开采的动力来源问题，又对伴生气进行了很好的利用。

Description

一种基于伴生气的石油采集系统及方法
技术领域
本发明涉及石油开采领域，具体为一种基于伴生气的石油采集系统及方法。
背景技术
目前，油田的主要开采方式为抽油机等抽油设备进行采油，而抽油设备的动力来源主要为电网供电，少数动力来源为风能、太阳能等。在油井开采过程中，会有伴生气产生，伴生气主要成分为甲烷、还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等。大多数的油田对伴生气采取放空火炬的方式直接排向大气，不仅是资源的浪费，而且对大气会造成一定程度的污染。而且大部分油田油井开采区域，受制于地理环境、自然条件的影响，导致油井开采的动力来源受到限制，或者使其成本较大。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于伴生气的石油采集系统及方法，其能够利用伴生气对石油采集进行供能，成本低，使用方便，占用空间小，避免环境对动力源的限制。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于伴生气的石油采集方法，包括如下步骤，
步骤一，将收集到的油井伴生气去除硫化物后进行催化重整得到燃烧原料气；
步骤二，将燃烧原料气与空气一起通入到燃料电池堆中进行化学反应，产生热能和电能；
步骤三，将电能输配到采油设备中用于石油开采，将热能收集后分别对输油管道和注水井的注入水加热。
优选的，步骤一中，去除硫化物时，将伴生气通入到装有NiO/MgO/Al2O3脱硫剂的容器中进行处理。
优选的，步骤一中，催化重整时发生如下反应：
CH4+H2O→CO+3H2。
优选的，燃烧原料气与空气一起通入到燃料电池堆中时，
空气进入阴极，阴极材料为LSM，其发生的电化学反应为O2+4e-→2O2-；
燃烧原料气进入阳极，阳极材料为Ni-YSZ，其发生的电化学反应为CO+H2+2O2-→CO2+H2O+4e-；
用于形成氧离子导电体的电解质材料为氧化锆YSZ。
进一步，阴极材料为La0.6Sr0.4MnO3，阳极材料中Ni和YSZ质量比6：4，电解质材料采用8％摩尔比例的氧化钇稳定的氧化锆YSZ。
一种基于伴生气的石油采集系统，包括采油设备，重整器，空气压缩机，燃料电池堆和热交换器；重整器的输入端接入去硫后的伴生气，输出端连接到燃料电池堆的阳极；空气压缩机的输出端接入到燃料电池堆的阴极；
燃料电池堆通过设置的热交换器收集反应后产生的热量，燃料电池堆的电力输出端连接到采油设备的动力端供电；热交换器的热能输出端通过输出接口连接注水井接口或输油管加热接口或生活用热接口。
优选的，燃料电池堆包括若干由金属连接板连接固定的燃料单电池，贴合设置在燃料单电池的外部的热能收集板，以及设置在热能收集板一侧的热媒通路；热媒通路的输出端连接热交换器的热能输入端。
进一步，燃料单电池包括依次层叠设置的阴极、电解质和阳极；阴极材料为LSM，阳极材料为Ni-YSZ，电解质材料为氧化锆YSZ。
再进一步，阴极材料为La0.6Sr0.4MnO3，阳极材料中Ni和YSZ质量比6：4，电解质材料采用8％摩尔比例的氧化钇稳定的氧化锆YSZ。
优选的，燃料电池堆的电力输出端通过稳压器连接到采油设备的动力端供电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明利用在采油过程中产生的伴生气作为燃料，进行去硫和催化重整后在燃料电池中进行反应供电，为采油设备提供能量来源，同时还能够将产生的热量进行利用，从而完成石油的开采，既解决了油井开采的动力来源问题，又对伴生气进行了很好的利用，方便地为油井的开发提供电能与热能；方法简单高效，利用率高，整体的经济效益明显，特别适应于边远、电网不完善以及原油粘度较高的作业井区。
进一步的，通过对伴生气去硫以及催化重整的限定，能够更好的提高燃料电池的工作效率，保证供电供热的稳定；配合燃料电池中的阴阳极材料的优选设置，控制原料中元素的比例能够得到稳定的氧化锆，通过掺杂的氧化钇能够有效抑制氧化锆的转变发生，能够对处理后的伴生气进行充分的利用和开发。
附图说明
图1为本发明实例中所述的燃料单电池的结构原理图。
图2为本发明实例中所述的燃料电池堆的结构原理图。
图3为本发明实例中所述的石油采集系统的工艺流程图。
图中：1为伴生气，2为空气，3为重整器，4为空气压缩机，5为燃料电池堆，6为稳压器，7为热交换器，8为抽油机，9为输出接口，51为燃料单电池，511为阴极，512为电解质，513为阳极。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供一种利用油井伴生气作为动力原料的燃料电池供电的石油采集方法，该方法能给采油设备提供良好的电力，也能给注水井、输油管道或居民生活提供良好的热力。本优选实例中以抽油机作为采油设备进行说明。其采油方法如下。
1)去硫：收集油井伴生气后，通过管道，首先进入装有NiO/MgO/Al2O3脱硫剂的容器，目的是去除硫化物；
2)伴生气重整：经过去硫处理的伴生气，进入重整器，进行催化重整；
3)燃料电池反应：催化重整后的伴生气，与空气压缩机泵入的空气，在燃料电池堆中进行电化学反应；
4)电热收集：燃料电池供电服务器将产生电能与热能。电能通过稳压器后进入供电电网，热能通过热交换器进行收集；
5)电能供给抽油机：燃料电池供电服务器产生的电能，进入电网后，接入抽油设备的配电箱，从而给发动机供应电能，发动机把电能转换为机械能，再通过减速系统、曲柄机构，带动抽油机驴头做上下往复运动，把原油从井底开采到地面；
6)热能用途：燃料电池产生的热能，通过热交换板收集，收集到的热能，一是给输油管道加热，降低原油粘度，提高原油流动能力，提高管输效率；二是给注水井注入水加热，提高注入水温度，提高注水驱替效果；三是给居民生活提供热能。
利用以上特点，通过本发明能够实现就地取材，充分的对伴生气进行利用，方便地为油井的开发提供电能与热能，特别适应于边远、电网不完善以及原油粘度较高的作业井区。具体的工艺流程如图3所示。
1)在图3中，伴生气1通过去硫后进入重整器3，发生的反应为：CH4+H2O→CO+3H2；
2)催化重整后的伴生气，与空气压缩机4泵入的空气2，在燃料电池堆供电5中进行发电发热反应；
3)发电的电化学反应原理图见图1，在图1中，空气2进入阴极511，阴极材料为LSM，优选的阴极材料为La0.6Sr0.4MnO3，其发生的化学反应为O2+4e-→2O2-；伴生气进入阳极513，阳极材料为Ni-YSZ，其中，Ni和YSZ质量比6：4，其发生的电化学反应为CO+H2+2O2-→CO2+H2O+4e-；电解质512材料为8％摩尔比例氧化钇稳定的氧化锆YSZ，为传统且稳定的氧离子导电体，其作用是传导在阴极中形成的氧离子至阳极；
4)热能收集原理见图2，图2中，燃料单电池51通过连接金属连接板52，组合成燃料电池堆，然后通过电热收集板53完成热能交换；金属连接板52由Fe-Cr合金制成；热媒从电热能收集入口54进入到热媒通路中，收集热量后从电热能收集出口55输出；
5)图3中，燃料电池堆5产生的电能，通过稳压器6进入电网后，接入抽油设备的配电箱，从而给发动机供应电能，发动机把电能转换为机械能，再通过减速系统、曲柄机构，带动抽油机驴头做上下往复运动，抽油机8工作把原油从井底开采到地面；
6)燃料电池产生的热能，通过图3中的热交换器7收集后，经输出接口9一是给输油管道加热，降低原油粘度，提高原油流动能力，提高管输效率；二是给注水井注入水加热，提高注入水温度，提高注水驱替效果；三是给居民区提供热能。
以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于伴生气的石油采集方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一，将收集到的油井伴生气去除硫化物后进行催化重整得到燃烧原料气；去除硫化物时，将伴生气通入到装有NiO/MgO/Al2O3脱硫剂的容器中进行处理；催化重整时发生如下反应：
CH4+H2O→CO+3H2；
步骤二，将燃烧原料气与空气一起通入到燃料电池堆中进行化学反应，产生热能和电能；
燃烧原料气与空气一起通入到燃料电池堆中时，
空气进入阴极，阴极材料为LSM，其发生的电化学反应为O2+4e-→2O2-；
燃烧原料气进入阳极，阳极材料为Ni-YSZ，其发生的电化学反应为CO+H2+2O2-→CO2+H2O+4e-；
用于形成氧离子导电体的电解质材料为氧化锆YSZ；
其中，阴极材料为La0.6Sr0.4MnO3，阳极材料中Ni和YSZ质量比6：4，电解质材料采用8％摩尔比例的氧化钇稳定的氧化锆YSZ；
步骤三，燃料电池堆产生的电能，通过稳压器进入电网后，接入抽油设备的配电箱，从而给发动机供应电能，发动机把电能转换为机械能，再通过减速系统、曲柄机构，带动抽油机驴头做上下往复运动，抽油机工作把原油从井底开采到地面；
燃料电池产生的热能，通过热交换器收集后，经输出接口一是给输油管道加热，降低原油粘度，提高原油流动能力，提高管输效率；二是给注水井注入水加热，提高注入水温度，提高注水驱替效果；三是给居民区提供热能；
其中，燃料单电池通过连接金属连接板，组合成燃料电池堆，然后通过电热收集板完成热能交换；金属连接板由Fe-Cr合金制成；热媒从电热能收集入口( 54) 进入到热媒通路中，收集热量后从电热能收集出口( 55) 输出。
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