CN107660250B - 使用两级膜方法的co2排除方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种处理在刺激地下地层之后离开井场的返排流体的系统和方法。本发明在气体含有按体积计高浓度CO₂的期间利用两级膜方法，并且允许从天然气组分中分离CO₂，从而向气体收集系统提供管道质量的天然气(大约5体积％CO₂)。

Description

使用两级膜方法的CO2排除方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于处理在刺激地下地层之后离开井场的返排流体的方法和系统。

背景技术

使用水、二氧化碳和其它载液对各种地下地层的压裂已经实施了一段时间。本领域技术人员将理解，如本文所用的压裂液、载气或简单地说气体是指液相、气相、超临界流体或它们的组合。通常，在分离任何固体、液体和/或油之后，用基于CO₂的压裂液(可包括水或一些其它流体)刺激的井释放出初始原料流体(常常被称为返排流体)，该流体为压裂液CO₂和储层流体的混合物。因此，返排流体可含有天然气、其它烃类和污染物，诸如硫化氢(H₂S)、水(H₂O)和CO₂。

来自于用基于CO₂的压裂液刺激的井的初始气体流含有高CO₂浓度 (80-100％)，其中气体的剩余部分由甲烷、其它轻质烃类、水和微量组分形成。如果在此期间没有进行气体处理，则由于CO₂含量太高而不能行进到气体采集管道中，将需要燃烧整个气体流。随着气体继续流动，返排CO₂浓度随时间下降，使得大约10-30天后，CO₂浓度降至5-10％CO₂或更低的水平。

来自井的流体直到该流体低于规定的最大CO₂浓度才能作为产物被送到下游加工设施或管道，。对用于下游加工设施或管道气体的CO₂浓度的要求通常在2-10摩尔％的范围内。在许多情况下，流体/气体被排出或燃烧直到其满足CO₂浓度规格，此时其可用作产物。当返排流体含有>70％CO₂时，燃烧操作需要添加天然气来保持或以其它方式使燃烧操作自我维持。因此，离开井的流体中所含有的有价值的烃类最初被浪费，并且利用了另外的天然气。

本发明的一个目的是提供一种用于处理返排气体的方法和系统，其中在气体含有按体积计高浓度CO₂的期间利用两级膜方法、从天然气组分中分离CO₂并且向气体收集系统提供管道质量的天然气(大约5体积％ CO₂)。次要目的是回收可冷凝的烃类并且将这些液体提供给现场储存系统。从返排气体中冷凝的液体在本文中被描述为天然气液或NGL。另一个目的是从新压裂的井的返排流体中回收CO₂，其可被液化和再利用，以用于压裂附近的井，并且减少向常常位于远处的井提供大量液态CO₂的物流问题。如在2014年1月28日提交、以引用方式并入本文的美国专利申请序列号14/166,304中所教导，为了能够结合本文所述的系统回收CO₂将需要另外的设备。

使用本发明的方法和系统允许在井生产的较早时间点回收有价值的天然气和天然气液，并且避免在初始气体流的初始30天左右期间燃烧整个井输出。此外，本发明的方法和系统允许：(a)降低为井压裂提供CO₂的成本；(b)降低燃烧操作所必需的天然气消耗量；以及(c)独立回收气态烃和液态烃。

对于本领域的普通技术人员来说，在查看说明书、附图和所附权利要求书之后，将清楚了解本发明的其它目的和方面。

发明内容

本发明涉及一种处理在刺激地下地层之后离开井场的返排流体的系统和方法。本发明在气体含有按体积计高浓度CO₂的期间利用两级膜方法，并且允许从天然气组分中分离CO₂，从而向气体收集系统提供管道质量的天然气(大约5体积％CO₂)。

在一个实施方案中，本发明涉及一种利用两级膜系统加工来自井场的返排流体的方法。该方法包括：

任选地在预处理单元中加工离开井眼的返排气体以便从流体中去除不期望的物质，包括但不限于水、固体颗粒、液态烃、硫化氢或它们的组合中的任一种，以获得预处理的返排流体；

在预处理单元下游的第一级膜单元中加工所述(预处理的)返排流体，以从预处理的返排流体中分离水和/或水蒸气，从而形成富水渗透物流和贫水返排物流；

在所述第一级膜单元下游的第二级膜单元中加工所述贫水返排物流，以从所述贫水返排物流中分离出CO₂，从而形成富二氧化碳渗透物流和富含烃类的贫二氧化碳返排物流。

在另一个实施方案中，本发明涉及一种用于加工在刺激地下地层之后来自井眼的返排流体的系统。该系统包括：

任选地，预处理单元，其用于接收并加工来自井场的返排流体，并且从流体中去除不期望的物质，包括但不限于水、固体颗粒、液态烃、硫化氢或它们的组合中的任一种；

预处理单元下游的第一级膜单元，其用于接收来自该预处理单元的预处理返排流体并且从预处理的返排流体中分离出水和水蒸气，从而形成富水渗透物流和贫水返排物流；

所述第一级膜单元下游的第二级膜单元，其用于接收来自所述第一级膜单元的贫水返排物流，以从所述贫水返排流体中分离二氧化碳，从而形成富二氧化碳渗透物流和富含烃类的贫二氧化碳返排物流。

一旦系统进料中的CO₂浓度下降到较低的范围，第二级膜中的焦耳-汤姆逊冷却作用就会降低，使得第二级的温度将高于可能形成固体的温度。根椐气体的组成和气体物流的条件，可形成的固体将包括例如气体水合物或水冰。估计可能发生固体形成的温度的方法是本领域中已知的，并且在固体水冰的情况下，这一温度是水的凝固点。当发生这种情况时，第一级膜单元可被绕过，并且离开井的返排气体可直接送到第二级膜单元以去除 CO₂；不再需要第一级除水膜单元。绕过第一级膜单元将降低系统中的烃损失。可绕过第一级膜的点将取决于入口气体中的CO₂浓度和入口气体温度两者。例如，在入口气体温度为约120℉的情况下，当入口CO₂浓度已经降到低于50-55体积％时，可绕过第一级膜。另选地，现在参见图1，当离开膜单元2(X-101)的滞留物流(13)的温度高于选择来避免形成固体(诸如气体水合物或水冰)的期望温度极限时，可启动第1级旁路操作。在冰的情况下，例如温度极限是水的凝固点，使得将采用高于约32℉的预设温度，在另一个实施方案中高于约35℉。

当离开井场的贫二氧化碳返排物流中的返排气体CO₂浓度已经下降到低于收入采集系统中的规格(通常在约2体积％至约10体积％CO₂的范围内)，可终止系统操作，并且可将离开井的所有返排气体直接送到采集系统。

根据本发明的优选实施方案的以下详细描述并结合附图，将更好地理解本发明的目标和优点，在附图中，类似的数字通篇指代相同的特征部。

附图说明

图1是用于处理离开井场的返排流体的系统和相关联的方法的示意图。

表2示出根据本发明的CO₂排除方法的性能。

具体实施方式

本发明提供一种用于处理紧随刺激地下地层之后离开井场的返排流体直到返排气体的浓度接近储层(不管何种地层)中的天然CO₂浓度的系统。一旦返排气体CO₂浓度已经下降到低于收入采集系统中的规格(通常在约2％至约10％CO₂的范围内)，就可终止系统操作，并且可将离开井的所有返排气体直接送到天然气管道或加工厂。

本文所详细解释的本发明的方法和系统利用两级膜方法来处理返排气体。本发明的目的是在紧随CO₂刺激地层之后的期间内处理返排气体，其中离开井眼的气体含有大量的二氧化碳，即大约5-80体积％CO₂。一旦 CO₂与天然气组分分离并且CO₂降低到可接受的水平，就可向气体收集系统供应管道质量的天然气(大约5体积％CO₂)。系统允许在井生产的较早时间点回收有价值的天然气和天然气液，并且避免在初始气体流期间燃烧整个井输出。

整个系统或该系统的部分可被设计为可移动的。在返排气体的CO₂含量自然下降到低水平之后，该系统不再是这个特定的井所需要的，并且可将该系统重新安置到需要排除CO₂的另一个井。

除了向气体收集系统供应管道质量的天然气之外，次要目的是回收可冷凝的烃类(天然气液)，并且向现场储存系统提供这些液体。

本发明在正常操作期间的操作模式概述如下。

模式1：初始井流。在气体返排的大约前24小时期间，整个气体流通常被送到火炬，并且部分由于气体压力和流速高且不稳定以及由于大量固体和液体(被称为“脏流”)被清除出井而未由系统加工。初始气体流通常还含有低浓度的可回收甲烷和其它烃类。此外，在此期间，气体有可能含有非常高的CO₂浓度，如果要加工气体，则可能导致第二级膜温度低于- 20℉。出于设备成本考虑，希望避免将需要具有低于-20℉的最低设计金属温度(“MDMT”)的结构材料的情况。

模式2：返排气体加工，两个膜级。一旦模式1操作的初始井流周期结束，具有可接受的CO₂浓度的返排气体就被送到系统，以去除H₂O和 CO₂两者并用于捕获天然气和在系统条件下冷凝的天然气液。

模式3：返排气体加工–一个膜级。一旦返排气体CO₂浓度已经下降到较低的范围，第二级膜中的焦耳-汤姆逊冷却作用就会降低，使得第二级的温度将高于用于防止固体形成的目标温度(例如，水的凝固点)。当发生这种情况时，第一级膜单元不再被需要并且可被绕过，也就是说，离开井的返排气体可直接送到第二级膜单元以去除CO₂。绕过第一级膜单元还将降低系统中的烃损失。可绕过第一级膜的点将取决于入口气体中的CO₂浓度和入口气体温度两者。例如，在入口气体温度为约120℉的情况下，当入口CO₂浓度已经降到低于50-55体积％时，可绕过第一级膜。另选地，一旦离开膜单元2的滞留物流(13)的温度等于或高于在气体物流中可能形成固体的温度以上的预设温度，就可启动第1级旁路操作。例如，如果估计这一温度是水的凝固点，则预设温度可高于约35℉。

模式4：返排处理停止。一旦返排气体的CO₂浓度已经下降到低于收入采集系统中的规格(通常2-10％CO₂)，就可终止系统操作，并且可将所有返排气体直接送到气体采集系统。

参考图1，示出用于处理离开井场的返排气体的系统的更详细描述。物流被称为(1)、(2)、(3)等，阀为XV-1至XV-61，容器为V-100以及更高，并且膜单元为X-100和X-101。需注意，膜单元1和2由并联操作的多个膜元件和外壳构成。

预处理–聚结过滤器(V-100)。

提供给系统的返排气体(1)流动通过压力调节阀(XV-1)。因为返排气体压力可在不同井之间变化或者在一个井的操作期间变化，所以阀XV-1用于使返排气体的压力下降到等于或低于系统中的膜的设计压力上限的控制水平。例如，在1200psig的压力下供应的返排气体可通过XV-1降低到 900psig。

XV-1上的压降可在物流中产生一些冷凝液体(水和/或烃类)。理想情况下，提供给系统的返排气体不含固相和液相，但可能存在从上游分离器遗留的一些液体或固体。因此，离开XV-1的气体(2)将进入组合分离器/ 聚结过滤器单元(V-100)，以从气体物流中去除这些组分。V-100可被设计用于独立去除水相和烃相(如果两相都存在)。冷凝水(5)在液位控制下通过阀XV-5去除，而冷凝烃类(4)在独立的液位控制下通过阀XV-4去除。液体物流中的任一者或两者可含有少量可能已经夹带在进入的返排气体(1)中的固体。气体在离开V-100之前流动通过聚结过滤元件以便过滤掉液滴或颗粒。

来自V-100的洁净气体(3)流动通过流量计和流量控制阀XV-3，以建立进入膜单元的气体流速。流量设定点可以是固定的，或者可在系统的最大和最小流量约束内响应于产物气体(18)CO₂浓度而自动变化。例如，如果产物气体中的CO₂浓度增加到高于期望上限的水平，则可减小流量设定点，这将降低滞留物流速，从而倾向于使产物CO₂浓度降低直到其回到期望范围内。相反地，如果产物气体中的CO₂浓度下降到低于期望范围的水平，则可增大流量设定点，这将增加滞留物流速，从而倾向于使产物CO₂浓度增加直到其回到期望范围内。

水去除–膜单元1(X-101)。

模式2操作–两级膜方法。操作开始于工作中的两个膜级(水去除级和 CO₂去除级)。最初，当返排气体含有高浓度的CO₂(通常高于50％ CO₂)时，第二级CO₂去除膜中可存在低于可能形成固体的点(例如，水的凝固点)的温度。在这种情况下，离开V-100的气体将流动通过阀XV- 60进入第一级膜单元，即膜单元1(X-100)，以去除水蒸气。气体的大部分水含量连同一些CO₂和烃类气体从高压侧(900psig)穿过膜单元1(X-100)到低压渗透物侧。富水渗透物1(7)从膜单元1(X-100)流出到火炬总管，并且被送到火炬系统。渗透物压力可通过火炬系统中的压降控制，并且保持在最低水平，诸如0-50psig。另选地，可通过在膜的渗透物侧上的背压控制来明确地控制渗透物压力，以便在膜的渗透物侧上保持比在接收渗透物流的火炬或其它下游系统中存在的压力更高的压力。此举可用于将膜元件上的压差保持在期望极限内，以避免损坏膜或以提供控制渗透速率的手段。此举也可用于保持较高的渗透物压力，这将有利于进一步加工渗透物流——例如通过冷却和冷凝促进下游回收CO₂。膜单元1(X-100)和第二级膜单元即膜单元2(X-101)中的滞留物压力由下游HP NGL分离器(V-300)的背压调节来控制。

模式3操作–一级膜方法。在返排方法的过程中，到系统的入口CO₂浓度最终将下降到小于约50体积％的水平，使得低于固体形成温度(例如，水的凝固点)的温度将不再是第二级膜单元即膜单元2(X-101)中的问题。在这种情况下，第一级水去除膜级即膜单元1(X-100)不再被需要并且可被绕过。绕过膜单元1(X-100)将降低送到火炬的入口气体的比例，并且将增加烃类的总体系统回收率。在旁路操作中，给料于膜单元1(X-100)的阀 XV-60将关闭，并且第1级旁路阀XV-61将打开，从而允许来自V-100的气体(3)直接流到膜单元2(X-101)。当离开膜单元2(X-101)的滞留物流(13) 的温度高于预先确定的水平例如35℉时，可启动第1级旁路操作。

CO₂去除–膜单元2(X-101)

在模式2操作期间，已经在膜单元1(X-100)中干燥的气体作为高压滞留物(6)离开，并且流到膜单元2(X-101)以去除CO₂。在模式3操作期间，第1级旁路打开，使得离开V-100的气体(3)将作为进料气体直接流到膜单元2(X-101)。

如在上述膜单元1的操作中那样，在膜单元2(X-101)中，气体的大部分CO₂含量连同一些H₂O和烃类气体从高压侧(大约900psig)穿过膜到低压渗透物侧(大约0-50psig或者在一些情况下甚至更高)。富CO₂渗透物2 (14)从膜流出到火炬总管，并且被送到火炬系统。渗透物压力由火炬系统中的压降控制。

在一些返排气体组成(CO₂和C2+烃类的浓度)和入口压力和温度的条件下，来自膜上的压降和可冷凝烃类的浓度的焦耳-汤普森冷却的组合将导致液态烃在膜单元2(X-101)的高压(滞留物)侧上冷凝。膜元件和外壳设计成允许液体排出到膜壳的底部。当条件允许烃类冷凝时，离开膜滤芯的滞留物流(13)将是两相流。另选地，膜壳可被设计成具有用于冷凝液体流和气体流从滞留物侧的独立出口通道。

对于CO₂分离，存在五种已知且可商购获得的主要膜类型和材料，并且这些材料中的任一种都可潜在地用于本发明方法和系统的CO₂去除级中，并且至少一些可用于H₂O去除级中。它们包括：

1.选择性致密或非对称聚合物膜：例如：

·醋酸纤维素

·聚酰亚胺

·聚酰胺

·全氟聚合物

·聚砜

·聚碳酸酯

·聚醚酰亚胺

·聚醚醚酮或PEEK

用于CO2分离的另外的聚合物材料：

·三醋酸纤维素

·含氟聚酰亚胺

·聚(酰胺-酰亚胺)

·聚(二甲基硅氧烷)

·聚环氧乙烷

·含有尼龙6的聚(苯醚)

·聚苯胺

·聚芳酰胺

·聚芳酯

·聚亚芳基醚酮

·聚醚酮

·聚醚酰亚胺

·聚醚砜

·聚酮

·聚苯硫醚

·聚吡咙

·聚氨基脲

2.促进传递膜-聚合物膜和反应剂的组合

·液体支撑膜：反应剂可以是水、碳酸盐水溶液、氢氧化物盐、有机铵盐、氨甲基丙醇或链烷醇胺(MEA、DEA等)。膜可以是醋酸纤维素、聚乙烯醇或聚丙烯。

·固定载体膜：例如，聚乙烯醇或聚砜基体中的聚胺(诸如聚乙烯胺)

3.膜气体吸收：聚合物膜和液体载体的组合

·所使用的聚合物包括：聚四氟乙烯(特氟隆)、聚丙烯、聚偏二氟乙烯

·液体载体包括：胺，诸如：单乙醇胺、二乙醇胺和甲基二乙醇胺；碳酸钾；金属氢氧化物溶液。

4.无机膜-无机选择性材料形成膜或可用多孔金属或陶瓷膜承载。选择性材料包 括：

·分子筛，包括沸石、磷酸铝、硅磷酸铝、二氧化硅和碳分子筛

·碳化聚合物

·活性炭

·金属氧化物(诸如BaTiO₃或MgO)

·金属有机骨架材料(MOF)

5.混合基体膜-由聚合物基体中的选择性材料构成的杂化膜。

·选择性材料可以是无机材料，诸如上文所列出的那些(沸石等)；或者可以是有机材料，诸如聚乙二醇。

·几乎可使用任何聚合物，例如：聚砜、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醋酸乙烯酯、硅橡胶、聚二甲基硅氧烷。

合适的膜的具体示例包括：来自Cameron(Houston，TX)的

醋酸纤维素膜、来自UOP(Des Plaines，IL)的Separex^TM醋酸纤维素膜、来自MTR(Newark，CA)的Z-Top^TM全氟聚合物膜、来自Air Products(Allentown，PA)的

聚砜膜、来自Air Liquide(Newport，DE)的MEDAL^TM聚酰亚胺膜、来自Cynara的三醋酸纤维素 (CTA)膜以及来自UBEAmericas(New York，NY)的聚酰亚胺CO₂膜。然而，在烃类可在膜表面上冷凝的条件下，优选高度耐受冷凝液体的作用的材料。例如，用于本申请的优选流体分离器可以是具有聚醚醚酮(PEEK)膜的分离单元，其是用于处理较大比例C₂₊组分的合适的膜分离器，并且可以PEEK-SEP^TM中空纤维膜的形式从PoroGen Corporation(Woburn，MA)商购获得。最合适的是用于第一膜分离级(水去除)的PoroGen的D Guard 膜和用于第二膜级(CO₂去除)的PoroGen的S Guard膜。

基于图1所示的实施方案模拟从返排气体产生天然气和烃冷凝物的 CO₂排除方法的示例；操作参数如下表1所示，并且估计性能如表2所示。送到系统入口的气体的组成可随时间改变，并且根据不同气体源而改变。作为概念说明，表1和表2所示的示例表示系统对于入口气体具有所示组成的时间点的性能。返排气体到第二级膜单元即膜单元2(X-101)的压力控制在915psia，并且渗透物压力设定在20psia。根据进料组成和条件，可在预处理单元V100和滞留物流13中的减压步骤产生天然气液。如本文所述，在这两个位置都使用相分离器来分离烃冷凝物。

表1，CO₂排除操作条件

膜进料压力，psia	915
		渗透物压力，psia	20
滞留物CO<sub>2</sub>浓度，mol％	5.4％

高压天然气液(HP NGL)分离器(V-300)

离开CO₂去除膜单元2(X-101)的滞留物(13)流入高压NGL分离器(V- 300)。分离器用于从气体中滗析任何冷凝液体，使得可通过V-300的气体出口上的背压调节器XV-6为膜单元保持可靠的压力控制。冷凝液体收集在 V-300的底部中，并且通过阀XV-7在液位控制下去除。

任选地，可修改膜压力容器壳以允许独立的气体和液体去除口。在这个实施方案中，冷凝液体将在液位控制下通过专用液体口从膜壳直接去除，气体将利用背压调节器XV-6通过专用气体出口去除，并且将不需要容器V-300。

产物分离器(V-400)

来自HP NGL分离器(V-300)的高压气体(16)和冷凝液体(17)均被送到产物分离器(V-400)。在气体采集系统所需要的压力(可低于膜组件的压力) 下操作V-400。例如，膜单元1(X-100)和膜单元2(X-101)可在900psig(由 HP NGL分离器V-300上的XV-6控制)下操作，而管道可能需要不高于 800psig的压力。V-400允许将在管道压力下蒸发的任何冷凝烃类与产物 NG物流重组，特别是与溶解在NGL液体中的任何甲烷重组。产物天然气 (18)离开V-400并流到采集管道。V-400的压力由采集管道的接收压力控制。残余的冷凝液体物流(19)在液位控制下通过XV-8离开。

低压NGL闪蒸(V-500)

从聚结过滤器(V-100)获得的高压冷凝烃物流(4)可与来自产物分离器 (V-400)的冷凝烃物流(19)组合。组合的物流(20)流入LP NGL闪蒸容器(V- 500)，其可在天然气液储存系统可能需要的较低压力(例如，150psig)下操作。在V-500的设定压力下从液体中蒸发的烃和CO₂气体通过压力控制阀XV-9去除并送到火炬或其它用途。最终产物NGL在液位控制下通过 XV-10去除并送到储存器。作为替代方案，冷凝液体可在高压下通过阀 XV-201从过程中去除，并且作为物流201被送到下游过程以进一步处理 NGL物流。

低压水闪蒸(V-600)

从聚结过滤器(V-100)获得的高压冷凝水物流(5)流入LP水闪蒸容器(V- 600)中，其在火炬系统的接收压力下操作。在V-600的低压下从液体中蒸发的CO₂和其它气体被去除(10)并送到火炬。最终冷凝水(11)在液位控制下通过XV-11去除并送到储存器。

火炬系统

该系统被设计来最小化在井的早期返排操作期间需要燃烧或排气的气体量。然而，从产物天然气中分离的CO₂和H₂O蒸气将需要加工，通过膜与H₂O和CO₂一起去除或从低压(低于管道压力)物流中闪蒸出的任何烃类也是如此。加工这些物流适当时可包括燃烧或排气。例如，来自膜单元的渗透物流(物流7和14)和来自容器V-600和V-500的低压闪蒸物流10和21可被送到火炬总管，其中组合的物流9被送到火炬系统。

系统旁路(XV-51)

如果返排气体流量超过系统的最大流量，则可将过量的气体流(8)通过系统旁路阀XV-51转向并送到火炬系统。这可在流量控制(XV-3)和/或压力控制(XV-1)系统上达到约束极限时手动设置或自动控制。此外，在自动系统停机时，可打开旁路阀XV-51，以保持从井不间断地返排。

如上所述，为了控制产物纯度即天然气产物流18中的CO₂浓度，可自动调整流量控制阀XV-3。如果物流18中的CO₂浓度高于设定点，则假设不超过其它约束，可减小流量设定点。如果CO₂浓度低于设定点，则流量设定点可相应增加。

另外，膜的操作压力可设定在膜元件的最大操作压力和天然气采集系统的接收压力之间的任何点处。降低膜操作压力将降低系统处理容量。这可利用V-300上的背压调节器XV-6进行。单独膜元件也可用阀调节进出流量，以进一步调整系统容量。

对于任一膜级，可将热交换器添加到膜入口物流，以升高或降低膜入口温度。这可用于例如控制膜级中液体的冷凝量——通过升高入口温度来减少或避免冷凝，或者通过降低入口温度来增加冷凝。

从膜2的滞留物流中去除的天然气冷凝物可全部或部分地在热交换器中蒸发，并且如果不期望在井口处回收NGL而是在下游外部气体加工厂中回收NGL，则将蒸气与产物天然气物流重组。代替加热膜气体入口而蒸发 NGL物流以避免冷凝的优点是加热负荷较低并且对膜选择性没有影响。

代替将渗透物流或其它副产物流(诸如NGL闪蒸物流21)送到火炬，可回收这些物流以获得燃料。也可加工渗透物流以回收CO₂。

所收集的NGL可被送到高压和/或冷藏储存器中，或者可经历进一步加工，包括加热、蒸馏、压缩、再循环或与产物天然气重组(如上所述)。一种优选的加工类型可以是“稳定化”以将CO₂和甲烷含量去除以便降低水平，因此NGL将满足用于商业运输和使用的Y级规格。稳定 NGL物流的方法是本领域中已知的，并且可包括脱水、脱硫、加热、蒸馏、蒸气/液体分离和注入化学试剂以避免水合物形成。根据所采用的稳定化方法的类型，在高压下(示为图1中的物流201)或在较低压力下(示为图1中的物流22)将NGL传输到下游处理可能是有利的。

两种冷凝物流(来自V-100和来自第二膜级)可不被组合，但可被独立加工——例如如果一种物流的CO₂含量高，而另一种的低。

渗透物压力可控制在与火炬系统总管压力不同的水平。例如，背压调节阀可添加到物流7和14中，以允许将膜渗透物控制在较高压力下。渗透物压力可用于控制通过膜的渗透速率或提供更高压力的渗透物流以进一步加工(诸如回收CO₂)。

可通过添加物流再循环(通常用于膜方法中以增加回收率)、压缩、加热和/或冷却来修改基本方法方案，以增加单独组分的回收率。例如，来自V-500的NGL闪蒸蒸气可被压缩并再循环到进料中，或者经压缩的物流可被送到NG管道或用作燃料。

在两级中所使用的膜材料可以是不同的膜类型(分别专门用于H₂O去除和CO₂去除)，或者可以是在两级中工作的相同类型的膜材料，一级的工作利于去除H₂O而另一级利于去除CO₂。如果在两级中使用相同或相似类型的膜材料，则可在用阀调节进出两级的膜组件上利用另外的操作灵活性，以优化每级的容量。

根据本发明以及基于40mole％CO₂的具体示例进料条件的CO₂排除方法的性能示于表2中。

大约1/3的入口水在聚结过滤器中冷凝和去除，其余部分的90％在第一膜单元中去除。进料中约10％的CO₂在膜1中用水去除；剩余CO₂的 90％在膜2中去除。

对于入口CO₂为进料的40％的这种情况，进料中大约62％的甲烷在 NG产物中被回收。需注意，甲烷的回收率将随着进料的CO₂比例下降而增加，从而对于低入口CO₂含量达到高于90％的回收率。

进料甲烷的大约30％和进料NGL含量的12％连同CO₂和H₂O损失在膜渗透物中。进料中NGL含量的总体回收率为79％；产物天然气中为 33％，而产物NGL物流中为46％。回收的NGL表示90％的NGL未损失于膜渗透物。如上所述，与这个示例中所使用的40％CO₂相比，随着进料中二氧化碳的比例减小，所有烃类(甲烷和天然气液)的总体回收率将增加。

虽然已经参考具体实施方案对本发明进行了详细描述，但对于本领域技术人员来说将很清楚，在不脱离所附权利要求书的范围的情况下可进行各种改变和修改，并且可采用等效物。

Claims (31)

1.一种用于处理在CO₂刺激地下地层之后离开井场的全体返排气体的两级膜方法，其中所述方法包括：

在第一级膜单元中加工离开井场的所述返排气体，以从所述返排气体中分离水和水蒸气，从而形成富水渗透物流和贫水返排物流；

在所述第一级膜单元下游的第二级膜单元中加工所述贫水返排物流，以从所述贫水返排物流中分离出CO₂，从而形成富二氧化碳渗透物流和富含烃类的贫二氧化碳返排物流，

其中当所述第二级膜单元的温度高于形成固体的温度时，所述第一级膜单元被绕过，并且将离开井的返排气体直接引导至所述第二级膜单元。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述第一级膜单元中加工所述返排气体之前预处理所述返排气体。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述预处理包括以下中的一项或多项：调整进料物流的压力、调整所述进料物流的温度，和/或去除水、固体颗粒、液态烃、硫化氢或它们的组合中的任一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一级膜单元中加工所述返排气体直到离开所述第二级膜单元的滞留物流(13)的温度高于形成固体的温度，之后绕过第一级膜单元并且将离开所述井的所述返排气体直接引导至所述第二级膜单元。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在所述第一级膜单元中加工所述返排气体直到离开所述第二级膜单元的滞留物流(13)的温度高于水的凝固点，之后绕过第一级膜单元并且将离开所述井的所述返排气体直接引导至所述第二级膜单元。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第二级膜单元中加工所述返排气体直到离开所述井场的所述返排气体中的CO₂浓度已经下降到2体积％至10体积％CO₂的范围，之后终止系统操作并且将所有返排气体直接送到采集系统。

7.根据权利要求1所述的两级膜方法，其中所述第一级膜单元或所述第二级膜单元或所述第一级膜单元和所述第二级膜单元两者包括用于液体和气体滞留物的独立出口通道。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括在高压天然气分离器中加工离开所述第二级膜单元的所述富含烃类的贫二氧化碳返排物流，所述高压天然气分离器被构造成从所述物流中分离任何冷凝液体，从而形成冷凝液体物流和富含烃类的高压气体物流。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述冷凝液体经受一次或多次稳定化处理，以去除CO₂并降低甲烷含量以便满足用于商业运输和使用的Y级规格。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述稳定化处理包括脱水、脱硫、加热、蒸馏、蒸气/液体分离和添加气体水合物抑制剂中的至少一种。

11.一种用于加工在CO₂刺激地下地层之后离开井场的全体返排流体的系统，其中所述系统包括：

第一级膜单元，所述第一级膜单元被构造成从所述返排流体中分离水和水蒸气，从而形成富水渗透物流和贫水返排物流；

所述第一级膜单元下游的第二级膜单元，所述第二级膜单元被构造成接收所述贫水返排物流并从所述贫水返排物流中分离出CO₂，从而形成富二氧化碳渗透物流和富含烃类的贫二氧化碳返排物流，

其中当所述第二级膜单元的温度高于形成固体的温度时，所述第一级膜单元被绕过，并且将离开井的返排流体直接引导至所述第二级膜单元。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一级膜单元或所述第二级膜单元或所述第一级膜单元和所述第二级膜单元两者包括用于液体和气体滞留物的独立出口通道。

13.根据权利要求11所述的系统，还包括预处理单元，所述预处理单元被构造用于在所述第一级膜单元中加工所述返排流体之前预处理所述返排流体。

14.根据权利要求13所述的系统，包括流量计和流量控制阀(XV-3)，以建立进入所述膜单元的气体流速，其中所述流速是固定的，或者能够在所述系统的最小和最大流量约束内响应于产物气体(18)CO₂浓度而自动变化。

15.根据权利要求13所述的系统，其中所述预处理单元被构造成调整进料物流的压力和/或调整所述进料物流的温度。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述预处理单元被构造成从所述进料物流中去除水、固体颗粒、液态烃、硫化氢或它们的组合中的至少一种。

17.根据权利要求11所述的系统，其中在所述第一级膜单元中加工所述返排流体直到离开所述第二级膜单元的滞留物流(13)的温度高于形成固体的温度，之后绕过第一级膜单元并且将离开所述井的所述返排流体直接引导至所述第二级膜单元。

18.根据权利要求17所述的系统，其中在所述第一级膜单元中加工所述返排流体直到离开所述第二级膜单元的滞留物流(13)的温度高于水的凝固点，之后绕过第一级膜单元并且将离开所述井的所述返排流体直接引导至所述第二级膜单元。

19.根据权利要求11所述的系统，其中在所述第二级膜单元中加工所述返排流体直到离开所述井场的所述返排流体中的CO₂浓度已经下降到2体积％至10体积％CO₂的范围，之后终止所述系统操作并且将所有返排流体直接送到采集系统。

20.根据权利要求11所述的系统，还包括所述第二级膜单元下游的高压天然气液分离器，所述高压天然气液分离器用于接收所述富含烃类的贫二氧化碳返排物流并从所述物流中分离任何冷凝液体，从而形成冷凝液体物流和富含烃类的高压气体物流。

21.根据权利要求20所述的系统，还包括所述高压天然气液分离器下游的产物分离器，所述产物分离器用于接收所述冷凝液体物流和所述富含烃类的高压气体物流，其中所述产物分离器任选地包括用于加热所述富含烃类的高压气体物流的加热器并且以预先确定的压力操作，从而允许任何冷凝烃类与所述富含烃类的高压气体物流重组形成天然气产物流。

22.根据权利要求21所述的系统，其中所述预先确定的压力为气体采集系统的压力。

23.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一级膜单元和所述第二级膜单元中的至少一个包括耐受冷凝天然气液的作用的膜材料。

24.根据权利要求23所述的系统，其中所述第一级膜单元和所述第二级膜单元中的至少一个包括选自以下的膜材料：选择性致密或非对称聚合物膜、促进传递膜、液体支撑膜、固定支撑膜、膜气体吸收膜；无机膜；混合基体膜；以及它们的组合。

25.根据权利要求24所述的系统，其中所述选择性致密或非对称聚合物膜选自以下膜材料：醋酸纤维素、聚酰亚胺、聚酰胺、全氟聚合物、聚砜、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、含氟聚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚环氧乙烷、含有尼龙6的聚苯醚、聚苯胺、聚芳酰胺、聚芳酯、聚亚芳基醚酮、聚醚酮、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚酮、聚苯硫醚、聚吡咙、聚氨基脲；以及它们的组合。

26.根据权利要求25所述的系统，其中在所述第一级膜单元中加工所述返排流体直到离开所述第二级膜单元的滞留物流(13)的温度高于形成固体的温度，之后绕过第一级膜单元并且将离开所述井的所述返排气体直接引导至所述第二级膜单元。

27.根据权利要求24所述的系统，其中所述膜选自由以下项组成的组：醋酸纤维素、聚酰亚胺、聚酰胺、全氟聚合物、聚砜、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺和聚醚醚酮。

28.根据权利要求24所述的系统，其中在所述第二级膜单元中加工所述返排流体直到离开所述井场的所述返排流体中的CO₂浓度已经下降到2体积％至10体积％CO₂的范围，之后终止所述系统操作并且将所有返排流体直接送到气体采集系统。

29.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一级膜单元和所述第二级膜单元中的至少一个包括聚醚醚酮膜。

30.根据权利要求11所述的系统，其中整个系统或系统的部分是可移动的。

31.一种用于加工在CO₂刺激地下地层之后离开井场的全体返排流体的系统，其中所述系统包括：

用于加工来自井场的返排流体的预处理单元，其中所述预处理单元被构造成调整进料压力和/或温度，并且/或者被构造成从所述返排流体中去除水、固体颗粒、液态烃、硫化氢或它们的组合中的任一种；

所述预处理单元下游的第一级膜单元，所述第一级膜单元用于接收来自所述预处理单元的所述预处理返排流体并且从所述返排流体中分离水蒸气，从而形成富水渗透物流和贫水返排物流；

所述第一级膜单元下游的第二级膜单元，所述第二级膜单元用于接收所述贫水返排物流并从所述贫水返排物流中分离出CO₂，从而形成富二氧化碳渗透物流和富含烃类的贫二氧化碳返排物流；

所述第二级膜单元下游的高压天然气液分离器，所述高压天然气液分离器用于接收所述富含烃类的贫二氧化碳返排物流，其中所述分离器被构造成从所述物流中分离任何冷凝液体，从而形成冷凝液体物流和富含烃类的高压气体物流；以及

所述高压天然气液分离器下游的产物分离器，所述产物分离器用于接收所述冷凝液体物流和所述富含烃类的高压气体物流，其中所述产物分离器在气体采集系统所需要的压力下操作，从而允许任何冷凝烃类与所述富含烃类的高压气体物流重组形成天然气产物流，

其中当所述第二级膜单元的温度高于形成固体的温度时，所述第一级膜单元被绕过，并且将离开井的返排流体直接引导至所述第二级膜单元。

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