DE102011088986A1

DE102011088986A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Verarbeiten eines Gemisches aus Gas, Öl und Wasser

Info

Publication number: DE102011088986A1
Application number: DE102011088986A
Authority: DE
Inventors: Jochen Schäfer; Vladimir Danov
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-20
Also published as: WO2013092097A2; WO2013092097A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Verarbeiten eines Gemischs aus Gas, Öl und Wasser bei der Rohölförderung, mit zumindest einem Separator (16, 18) zum Trennen der Phasen des Gemischs, sowie einem Verdichter (26) mit zumindest einer Verdichterstufe (28, 30, 32) zum Verdichten des separierten Gases, wobei das Gas vor Eintritt in die wenigsten eine Verdichterstufe (28, 30, 32) mittels eines zugeordneten ersten Wärmetauschers (40) auf eine vorgegebene Temperatur abkühlbar ist, wobei für zumindest eine Verdichterstufe (28, 30, 32) zwischen dem zugeordneten erste Wärmetauscher (40, 42, 54) und der Verdichterstufe (28, 30, 32) ein weiterer Wärmetauscher (44, 56) vorgesehen ist, welcher thermisch mit einer Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine (46) gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verarbeiten eines Gemisches aus Gas, Öl und Wasser bei der Rohölförderung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Verarbeiten eines solchen Gemisches nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
Bei der Förderung von Rohöl oder Erdgas wird der gewünschte Rohstoff in der Regel nicht phasenrein gewonnen. Übliche Lagerstellen enthalten vielmehr ein Gemisch aus Rohöl, Wasser und Erdgas, dass zudem oftmals auch Sandanteile enthält. Um die gewonnenen Ressourcen optimal auszunutzen, müssen die Öl- und Gasanteile abgetrennt und gereinigt werden. Separatoren zum Durchführen dieser Phasentrennung sind dabei dem Stand der Technik als allgemein bekannt zu entnehmen.
Das gewonnene Erdgas wird üblicherweise vor dem Weitertransport durch Pipelines auf Drücke von bis zu 100 bar komprimiert. Zum Betrieb entsprechender Kompressoren ist dabei eine beträchtliche Energiemenge notwendig, was den Energiegewinn aus der Rohstoffförderung entsprechend reduziert.
Die spezifische technische Arbeit, die zur Gaskompression aufgebracht werden muss, hängt von vier Faktoren ab. Dabei handelt es sich um die gaskonstante, dem Druckverhältnis – also dem Kompressionsgrad – dem Polytropenexponenten und der Temperatur. Gaskonstante und Druckverhältnis sind dabei in der Regel von der Anwendung vorgegeben. Um die benötigte Arbeit für die Kompression zu reduzieren, muss daher entweder der Polytropenexponent oder die Temperatur des Gases verändert werden. Der Polytropenexponent hängt dabei im Wesentlichen von der konstruktiven Gestaltung des Kompressors ab, ist in der Regel also ebenfalls nicht veränderlich. Um die spezifische Arbeit der Gaskompression zu verringern, ist es daher in der Regel notwendig, die Temperatur des zu komprimierenden Gases zu reduzieren. Bislang hierfür eingesetzte Kompressionskälteanlagen benötigen jedoch ebenfalls beträchtliche Mengen an elektrischer Energie, so dass der energetische Nutzen einer Kühlung des gewonnenen Erdgases in der Regel begrenzt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5 bereitzustellen, mittels welchem eine besonders energiesparende Kompression von zusammen mit Öl geförderten Erdgas ermöglicht wird und damit die Energiebilanz der Rohstoffgewinnung verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
Eine derartige Vorrichtung zum Verarbeiten eines Gemisches aus Gas, Öl und Wasser bei der Rohölförderung umfasst zumindest einen Separator zum Trennen der Phasen des Gemisches sowie einen Verdichter mit zumindest einer Verdichterstufe zum Verdichten des separierten Gases. Hierbei ist vorgesehen, dass das Gas vor Eintritt in den wenigstens einen Verdichter mittels eines zugeordneten ersten Wärmetauschers auf eine vorgegebene Temperatur abkühlbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass für zumindest eine Verdichterstufe zwischen den zugeordneten ersten Wärmetauscher und der Verdichterstufe ein weiterer Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher thermisch mit einer Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine gekoppelt ist.
Solche Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschinen können einen vorhandenen Wärmestrom nutzen, um ein weiteres Medium zu kühlen. Zusätzliche mechanische oder elektrische Energie muss nur in geringem Maße aufgewendet werden. Hierdurch wird es möglich, das zu komprimierende Erdgas aus der Förderung besonders stark abzukühlen, ohne das beträchtliche Energiemengen für zusätzliche Kompressionskälteanlagen aufgewendet werden müssen. Dies ermöglicht eine besonders energiesparende und kostengünstige Kompression des geförderten Gases, so dass die Energiebilanz der Rohstoffförderung verbessert wird.
Bevorzugt ist dabei die heiße Seite des Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine thermisch mit dem Gemisch und/oder dem aus dem Separator austretende separierten Öl und/oder Wasser koppelbar. Auf Grund des üblichen geothermischen Gradienten wird das Gemisch nämlich mit beträchtlicher Temperatur aus dem Bohrloch gefördert. Die in dem Öl/Wasser/Gas-Gemisch enthaltene Wärmemenge wird bei Verfahren nach dem Stand der Technik dabei wirkungslos verworfen. Durch die Koppelung an eine Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine kann diese Wärmeenergie zur Kühlung des geförderten Erdgases benutzt werden, so dass sich insgesamt eine besonders energieeffiziente Vorrichtung ergibt.
Der erste Wärmetauscher ist dabei zweckmäßiger Weise luftgekühlt, so dass auf eine aufwendige Kühlvorrichtung verzichtet werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist für jede Verdichterstufe ein weiterer Wärmetauscher vorgesehen. Insgesamt erfolgt somit zunächst eine Luftkühlung des geförderten Gases vor jeder Verdichterstufe, wodurch in der Regel Temperaturen von ungefähr 40°C erreichbar sind. Eine Kompressionskühlung ist zu diesem Zweck nicht erforderlich. Um die Verdichtungsarbeit besonders stark zu senken, ist jedem derartigen Wärmetauscher eine jeweilige Adsorptions- und/oder Absorptionskühlmaschine nachgeschaltet, mit welcher Temperaturen des zu komprimierenden Gases von in etwa 10°C erreichbar sind.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Verarbeiten eines Gemisches aus Gas, Öl und Wasser bei der Rohölförderung, bei welchem das Gemisch mittels zumindest eines Separators in seine Fasen getrennt wird und das separierte Gas anschließend mittels eines Verdichters mit zumindest einer Verdichterstufe verdichtet wird, wobei das Gas vor Eintritt in eine jeweilige Verdichterstufe mittels eines zugeordneten ersten Wärmetauschers gekühlt wird. Auch hier ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass für zumindest eine Verdichterstufe das Gas nach Austritt nach dem ersten Wärmetauscher mittels eines weiteren Wärmetauschers gekühlt wird, welcher thermisch mit einer Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine gekoppelt ist.
Wie bereits anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschildert, kann so unter Verzicht auf energetisch aufwendige Kompressionskältemaschinen eine besonders tiefe Temperatur des zu verdichtenden Gases vor der Verdichtung erzielt werden, so dass die Verdichtungsarbeit besonders gering ist. Ein derartiges Verfahren vermag somit besonders energiesparend gefördertes Erdgas für den Weitertransport vorzubereiten, so dass die Energiebilanz der Rohstoffförderung insgesamt verbessert wird.
Zweckmäßiger Weise wird der Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine thermische Energie aus dem Gemisch und/oder dem aus dem Separator austretenden separierten Öl und/oder Wasser zugeführt. Wie bereits erläutert, kann so die geothermische Wärme des geförderten Gemisches bzw. seiner Komponenten zum Betrieb der Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine genutzt werden, so dass nur wenig zusätzliche Energie aufgewendet werden muss, um das geförderte Gas in dem gewünschten Maße zu kühlen.
Der erste Wärmetauscher, mit dem das Erdgas auf eine Temperatur von etwa 40°C gekühlt werden kann, ist dabei zweckmäßiger Weise mit Luft gekühlt, so dass auch hier keine aktive und aufwendige Kühlung notwendig wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Gas vor Eintritt in jede Verdichterstufe mittels eines weiteren Wärmetauschers gekühlt. Die Verdichtungsarbeit wird somit durch die Adsorptions- und/oder Absorptionskühlung unter Ausnutzung der Restwärme des geförderten Gemisches für jede einzelne Verdichterstufe zum gewünschten Maße reduziert, so dass sich ein besonders energieeffizientes Verfahren ergibt. Die Kühlung erfolgt dabei vorzugsweise auf Temperaturen von 5 C und 15°C, was zweckmäßiger Weise unter Zuhilfenahme des Restwärmestroms des geförderten Gemisches erreicht werden kann, ohne das eine zusätzliche Kompressionskühlung notwendig wird.
Insgesamt wird das geförderte Gas durch den Verdichter auf einen Druck von ungefähr 100 bar verdichtet, um einen möglichst effizienten Weitertransport zu ermöglichen.
Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt hierbei eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verarbeiten eines Gemisches aus Gas, Öl und Wasser.
Eine im Ganzen mit 10 bezeichneten Vorrichtung zur Behandlung von frisch geforderten Gemischen aus Rohöl, Erdgas, Wasser und gegebenenfalls mineralischen Beimengungen, wie beispielsweise Sand oder dergleichen, wird das Gemisch in der Regel über eine Hochdruckleitung 12 einer Niederdruckleitung 14 zugeführt. Im geschilderten Beispiel wird das Gemisch in der Hochdruckleitung bei einem Druck von 50 bar und in der Niederdruckleitung 14 bei einem Druck von 10 bar gefördert. Abhängig von der verwendeten Fördermethode sowie der Art der Lagerstätte können Drücke und Temperaturen natürlich variieren. Die Temperatur des frisch geförderten Gemisches liegt im gezeigten Beispiel auf Grund des geothermischen Gradienten und der daraus resultierenden Lagerstättentemperatur bei etwa 100°C.
Das Gemisch aus der Hochdruckleitung 12 wird zur Trennung des Öls und Gases von weiteren unerwünschten Komponenten einen Separator 16 zugeführt, während ein weiterer Separator 18 zur Trennung des aus der Niederdruckleitung 14 entnommenen Gemisches dient. Um eine vollständige Trennung zu erreichen, wird das dem ersten Separator 16 entnommene Öl über eine Leitung 20 dem zweiten Separator 18 zugeführt, so dass eventuelle Restbeimengungen an Wasser, Sand oder dergleichen vollständig entfernt werden können. Wasser, Sand oder ähnliche mineralische Bestandteile werden über eine gemeinsame Leitung 22 aus dem Separatoren 16, 18 abgeführt.
Das im ersten Separator entnommene Gas kann mit einem Druck von etwa 50 bar weiter verarbeitet werden, während im zweiten Separator 18 der Druck des Gases auf den Druck der Niederdruckleitung 14, also auf 10 bar absinkt. Das aus dem zweiten Separator entnommene Gas wird über eine Leitung 24 einem Verdichter 26 zugeführt und über insgesamt drei Verdichterstufen 28, 30, 32 auf einen Enddruck von 100 bar verdichtet, wonach es über eine Leitung 34 beispielsweise einer Pipeline zugeführt werden kann. Auf Grund des höheren Entnahmedrucks im ersten Separator 16 wird das dort abgetrennte Gas über eine Leitung 36 lediglich der dritten Verdichterstufe 32 zugeführt.
Um die Verdichtungsarbeit beim Verdichten des Erdgases zu reduzieren, ist es zweckmäßig, das Gas zunächst zu kühlen. Unmittelbar nach der Entnahme aus dem Separatoren 16, 18 durchläuft das Gas daher Wärmetauscher 38, 40, welche die Wärme des Gases an die Umgebungsluft abgeben können. Da die Entnahmetemperatur des Gases aus dem Separatoren 16, 18 etwa 100°C beträgt, ist durch eine derartige Luftkühlung lediglich ein Abkühlen des Gases auf etwa 40°C möglich.
Bei der ersten Verdichterstufe 28 wird die erhöhte Arbeit auf Grund dieser Temperatur in Kauf genommen. Nach dem Durchlauf durch die erste Verdichterstufe 28 wird das aus dem Separator 18 entnommene Gas auf einen Druck von etwa 20 bar gebracht und erhitzt sich dabei auf 115°C.
Durch einen weiteren Wärmetauscher 42, der ebenfalls thermisch an die Umgebungsluft gekoppelt wird, kann das Gas auch hier wieder auf ca. 40°C abgekühlt werden. Um eine weitere Abkühlung vor Eintritt in die zweite Verdichterstufe 30 zu erreichen, ist dem Wärmetauscher 42 ein weiterer Wärmetauscher 44 nachgeschaltet. Dieser steht in thermischen Kontakt mit einer Absorptionskältemaschine 46.
Die Absorptionskältemaschine 46 nutzt die Restwärme des geförderten Gemisches, die der Absorptionskältemaschine 46 über einen weiteren Wärmetauscher 48 zugeführt wird. Dieser steht in thermischen Kontakt mit dem aus den Separatoren 16, 18 entnommenen Wasser und ist in der Leitung 22 angeordnet. Die derart der Absorptionskältemaschine 46 zugeführte Wärmeenergie sowie zusätzlich über eine Leitung 50 zugeführte elektrische Energie wird genutzt, um über einen weiteren Wärmetauscher 51 ein Kühlmedium in einer Leitung 52 zu kühlen, welches wiederum den Wärmetauscher 44 durchströmt. Hierdurch ist eine Abkühlung des in der ersten Verdichterstufe 28 verdichteten Erdgases auf etwa 10°C möglich.
Das vorgekühlte Gas durchläuft nun die zweite Verdichterstufe 30 und erhitzt sich dort entsprechend. Über einen weiteren luftgekühlten Wärmetauscher 54 wird das Gas nun wieder auf 40°C abgekühlt, wobei ein Druck von 50 bar durch die zweite Verdichtung erzielt wird. Das so abgekühlte Gas wird nun mit dem aus dem ersten Separator 16 bei ebenfalls 50 bar entnommenen Gas zusammengeführt und durchläuft einen weiteren Wärmetauscher 56, der wiederum mit der Kühlmittelleitung 52 und damit mit der Absorptionskältemaschine 56 gekoppelt ist. Auch hier kann wiederum eine Abkühlung auf ca. 10°C erzielt werden, wonach das derart abgekühlte Gas die dritte Verdichterstufe 32 durchläuft und auf einen Druck von etwa 100 bar verdichtet wird. Das derart verdichtete Gas kann nun einer Pipeline zugeführt oder anderweitig verarbeitet werden.
Insgesamt ergibt sich so ein besonders energiesparendes Verfahren zum Komprimieren von frisch gefördertem Erdgas unter Ausnutzung der Restwärme des geförderten Gas/Öl/Wasser-Gemisches.

Claims

Vorrichtung (10) zum Verarbeiten eines Gemischs aus Gas, Öl und Wasser bei der Rohölförderung, mit zumindest einem Separator (16, 18) zum Trennen der Phasen des Gemischs, sowie einem Verdichter (26) mit zumindest einer Verdichterstufe (28, 30, 32) zum Verdichten des separierten Gases, wobei das Gas vor Eintritt in die wenigsten eine Verdichterstufe (28, 30, 32) mittels eines zugeordneten ersten Wärmetauschers (40) auf eine vorgegebene Temperatur abkühlbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest eine Verdichterstufe (28, 30, 32) zwischen dem zugeordneten erste Wärmetauscher (40, 42, 54) und der Verdichterstufe (28, 30, 32) ein weiterer Wärmetauscher (44, 56) vorgesehen ist, welcher thermisch mit einer Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine (46) gekoppelt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heißseite der Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine (46) thermisch mit dem Gemisch und/oder dem aus dem Separator austretenden separierten Öl und/oder Wasser koppelbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (40, 42, 54) luftgekühlt ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Verdichterstufe (28, 30, 32) ein weiterer Wärmetauscher (44, 56) vorgesehen ist.
Verfahren zum Verarbeiten eines Gemischs aus Gas, Öl und Wasser bei der Rohölförderung, bei welchem das Gemisch mittels zumindest eines Separators (16, 18) in seine Phasen getrennt wird und das separierte Gas anschließend mittels eines Verdichters (26) mit zumindest einer Verdichterstufe (28, 30, 32) verdichtet wird, wobei das Gas vor Eintritt in eine jeweilige Verdichterstufe 828, 30, 32) mittels eines zugeordneten ersten Wärmetauschers (40, 42, 54) gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest eine Verdichterstufe (28, 30, 32) das Gas nach Austritt aus dem ersten Wärmetauscher (40, 42, 54) mittels eines weiteren Wärmetauschers (44, 56) gekühlt wird, welcher thermisch mit einer Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine (46) gekoppelt ist. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine (46) thermische Energie aus dem Gemisch und/oder dem aus dem Separator (16, 18) austretenden separierten Öl und/oder Wasser zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (40, 42, 54) luftgekühlt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas vor Eintritt in jede Verdichterstufe (28, 30, 32) mittels eines jeweiligen weiteren Wärmetauschers (44, 56) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mittels des weiteren Wärmetauschers (44, 56) auf 5–15°C gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mittels des Verdichters (26) auf ungefähr 100 bar verdichtet wird.