-
VERFAHREN ZUR SEKUNDÄREN GEWINNUNG VON ÖL
-
DURCH DAMPFANREGUNG UNTER ERZEUGUNG MECHANI-SCHER ARBEIT UND/ODER
ELEKTRISCHER ENERGIE Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sekundären Gewinnung
von Öl aus unterirdischen Lagerstätten durch Dampfanregung.
-
Während der ersten, als primär bezeichneten Gewinnung von Öl wird
der natürliche Lagerstättendruck ausgenutzt, um das Öl zur Erdoberfläche zu fördern.
Die primäre Gewinnung von Öl kann so lange fortgesetzt werden, bis der in der Lagerstätte
herrschende Druck auf einen Wert abgenommen hat, bei welchem eine Fortführung der
Ölgewinnung nicht länger wirtschaftlich ist. Vermittels der primären Ölgewinnungsverfahren
lassen sich jedoch nur etwa 5 bis 25 % des in einer Lagerstätte vorhandenen Öls
gewinnen.
-
Aus diesem -Grunde ist eine Vielzahl sekundärer Olgewinnungsverfahren
vorgeschlagen worden, um die Ölgewinnung aus unterirdischen Lagerstätten zu steigern.
Entsprechend diesen Verfahren werden z.B. Wasser, CO2, Luft und Erdgas durch ein
Injektionsbohrloch hindurch in die unterirdischen Erdöllagerstätten injiziert, um
das Öl durch die porösen, ölführenden Schichten hindurch in eine Produktionsbohrung
zu treiben.
-
Für in verhältnismäßig niedrigen Tiefen liegende Lagerstätten wurde
auch bereits Dampf zur Steigerung der Rohölgewinnung eingesetzt.
-
Die Erzeugung von Heizgas durch Teiloxidation eines kohlenwasserstoffhaltigen
Brennstoffs in einem frei durcströmbaren Gasgenerator und die Verbrennung des Heizgases
in einer Gasturbine sind in einer weiteren U.S. Patentschrift 3 866 411 der Anmelderin
beschrieben.
-
Durch die Erfindung soll nunmehr ein kontinuierliches Verfahren zur
sekundären Ölgewinnung aus unterirdischen Lagerstätten durch Dampfanregung geschaffen
werden, bei dem gleichzeitig mechanische Arbeit und/oder elektrische Energie erzeugbar
ist.
-
Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Verfahren ist
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein kohlenwasserstoffhaltiger Beschickungsstrom
und ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas ggf. in Anwesenheit eines Temperaturmoderationsgases
durch Teiloxidation in einem frei durchströmbaren Synthesegasgenerator bei einer
autogenen Temperatur im Bereich von etwa 816 bis 1926 OC und unter einem Druck im
Bereich von etwa 1 bis 250 Atm. absolut zur Reaktion gebracht werden und ein Rohheizgasgemisch
aus H2, CO, CO2, H2O, teilchenförmigem Kohlenstoff und einem oder mehreren Stoffen
der Gruppe bestehend aus N2, CH4, COS, H2S und Ar hergestellt wird, das Rohheizgasgemisch
durch indirekten Wärmeaustausch mit Wasser abgekühlt und ein Dampf strom, sowie
getrennt von diesem ein abgekühlter Rohheizgasstrom erzeugt wird, der abgekühlte
Rohheizgasstrom in einer Gasreinigungvorrichtung und einer Gassäuberungsvorrichtung
gesäubert und gereinigt und ein aus H2, CO und einem oder mehreren Stoffen der Gruppe
bestehend aus CO2, N2, CH4 und H2O bestehendes sauberes Heizgas erzeugt wird, der
saubere Heizgasstrom in die Brennkammer einer Gas turbine eingeführt und in dieser
unter Luftzufuhr zu einem sauberen Rauchgasstrom verbrannt wird, der saubere Rauchgasstrom
als Arbeitsmedium einer Expansionsturbine zugeführt und vermittels dieser mechanische
Arbeit und/oder elektrische
Energie erzeugt wird, aufbereitetes
Wasser in einem Dampfgenerator in indirekten Warmeaustausch mit dem wie oben angegeben
erzeugten Dampfstrom und dem aus der Turbine austretenden Rauchabgasstrom gebracht
und dadurch zu Dampf umgewandelt wird, ein Teil des dabei erzeugten Dampf s in eine
unterirdische, Kohlenwasserstoffe enthaltende Formation eingeführt wird, kohlenwasserstoffhaltige
Flüssigkeiten und Wasser aus der unterirdischen Formation abgezogen und voneinander
getrennt werden, wenigstens ein Teil des abgetrennten Wassers aufbereitet und als
wenigstens ein Teil des aufbereiteten Wassers zur Dampferzeugungszone rückgeleitet
wird.
-
Bei dem frei durchströmbaren Synthesegasgenerator handelt es sich
dabei um einen nicht katalytischen Gasgenerator. Der aus diesem austretende Rohheizgasstrom
wird in einem Abhitzkessel zur Erzeugung von Dampf benutzt. In der Gasreinigungsvorrichtung
werden aus dem Rohheizgasstrom Verunreinigungen wie z.B. Kohlenstoffteilchen, H2S
und COS entfernt. Die durch das saubere Rauchgas angetriebene Turbine treibt ihrerseits
einen Verdichter und/oder einen elektrischen Generator an. Das heiße Rauchabgas
aus der Turbine und der im Abhitzkessel erzeugte Dampf werden getrennt voneinander
in einem Wärmetauscher in indirekten Wärmeaustausch mit aufbereitetem Wasser gebracht,
wobei Dampf mit einer Qualität von z.B. 80 % erzeugt wird. Der kohlenwasserstoffhaltige
Beschickungsstrom für den Teiloxidations-Heizgas- oder Synthesegasgenerator kann
vorzugsweise aus einer Kohlenstoff-Ol-Dispersion bestehen, welche in der Gasreinigungsvorrichtung
aus aus dem Rohheizgas ausgeschiedenem teilchenförmigem Kohlenstoff und einem Teil
des gewonnenen Öls hergestellt wird.
-
In der Zeichnung ist der Verfahrensgang anhand eines Ausführungsbeispiels
schematisch dargestellt.
-
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst ein Heizgas höherer
Qualität erzeugt, dessen Heizwert im Bereich von etwa
667 bis 3115
kcal/m3 beträgt. Das Heizgas wird nach Reinigung in der Brennkammer einer Gasturbine
verbrannt, wonach das saubere Rauchgas durch eine Expansionsturbine durchgeleitet
wird und Wärmeenergie, mechanische Arbeit und/oder elektrische Energie erzeugt werden.
-
Das Heizgas wird hergestellt durch Teiloxidation eines kohlenwasserstoffhaltigen
Beschickungsstroms mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas in einem bekannten,
nichtkatalytischen, frei durchströmbaren Gasgenerator, ggf. in Anwesenheit eines
Temperaturmoderators. Als Gasgenerator wird dabei vorzugsweise ein aufrecht stehender
Stahl-Druckbehälter der in der U.S. Patentschrift 2 992 906 (Erfinder F. E. Guptill,
Jr.) der Anmelderin beschriebenen Ausführung verwendet.
-
Ein weiter Bereich brennbarer, kohlenstoffhaltiger organischer Stoffe
wie z.B. fossile Öle lassen sich in dem Gasgenerator zur Heizgaserzeugung verwenden.
Der kohlenwasserstoffhaltige Beschickungsstrom besteht vorzugsweise wenigstens zum
Teil aus dem gewonnenen Öl. Andererseits kann auch ein Teil des gewonnenen Öls in
einer nachgeschalteten Gasreinigungsvorrichtung dazu benutzt werden, teilchenförmigen
Kohlenstoff aus dem aus dem Gasgenerator austretenden Rohheizgas auszuscheiden.
In diesem Falle wird eine Kohlenstoff-Ol-Dispersion erzeugt, welche den ganzen oder
einen Teil des kohlenwasserstoffhaltigen Beschickungsstroms bilden kann.
-
Als kohlenwasserstoffhaltige Beschickungsströme sind sehr unterschiedliche
Ausgangsstoffe wie z.B. gasförmige, flüssige und feste Kohlenwasserstoffe, kohlenwasserstoffhaltige
Materialien und Gemische derartiger Stoffe geeignet. In der Praxis läßt sich jeder
organische, brennbaren Kohlenstoff enthaltende Stoff, auch in Form von Aufschlämmungen,
verwenden, und diese Stoffe sollen gleichfalls unter der hier verwendeten Bezeichnung
"kohlenwasserstoffhaltige Stoffe" verstanden sein. Als Beispiele seien genannt 1)
pumpfähige Aufschlämmungen
- fester, kohlenwasserstoffhaltiger
Brennstoffe wie z.B. Kohle, Kohlenstoffteilchen, Petrolkoks, konzentrierter Abwasserschlamm
und Gemische dieser Stoffe, 2)Gas-Feststoff-Suspensionen wie z.B. fein zermahlene
feste, kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe, die entweder in einem Temperaturmoderationsgas
oder in einem gasförmigen Kohlenwasserstoff dispergiert sind, und 3) Gas-Flüssigkeit-Feststoff-Dispersionen
wie z.B. zerstäubte, flüssige Kohlenwasserstoff-Brennstoffe oder Wasser und in einem
Temperaturmoderationsgas dispergierter, teilchenförmiger Kohlenstoff. Die kohlenwasserstoffhaltigen
Beschickungsstoffe können einen Schwefelgehalt im Bereich von etwa 0 bis 10 Gew.-%,
und einen Aschengehalt im Bereich von etwa 0 bis 60 Gew.-% aufweisen.
-
Unter dem hier verwendeten Ausdruck "flüssige Kohlenwasserstoffe sollen
geeignete flüssige Beschickungsstoffe verschiedensten Ursprungs wie z.B. Erdöldestillate
und -rückstände, Kerosin, Roherdöl, Asphalt, Gasöl, Rückstandsöl, Teersandöl und
Schieferöl, Kohlenteeröl, Kohlenteer, Kreislauf-Gasöl aus katalytischen Wirbelschicht-Crackverfahren,
Furfuralextrakt von Kokergasöl, sowie Gemische dieser Stoffe verstanden werden.
Gasförmige Kohlenwasserstoff-Brennstoffe sind Wasser-Gas, Koksofengas, Raffineriegas,
Azetylenschlußgas, Äthylenabgas, Synthesegas und Gemische derselben. Gasförmige
und flüssige Beschickungsstoffe können miteinander vermischt und gleichzeitig zugeführt
werden. Sie können auch beliebige Anteile von paraffinischen, olefinischen, naphthenischen
und aromatischen Verbindungen enthalten.
-
Außerdem rechnen zu den kohlenwasserstoffhaltigen Beschikkungsströmen
im Sinne des vorgeschlagenen Verfahrens oxygenierte, kohlenwasserstoffhaltige organische
Materialien einschließlich Kohlehydrate, Zellstoffe, Aldehyde, organische Säuren,
Alkohole, Ketone, oxygenierte Heizöle, Ablaugen und aus chemischen Verfahren stammende,
oxygenierte kohlenwasserstoffhaltige
organische Stoffe enthaltende
Nebenprodukte, sowie Gemische dieser Stoffe. Der kohlenwasserstoffhaltige Beschickungsstrom
kann auf Zimmertemperatur sein oder auf eine im Bereich von 316 bis 650 OC liegende
Temperatur vorgewärmt werden, welche jedoch vorzugsweise unter seiner Cracktemperatur
liegt.
-
Zum Einführen der kohlenwasserstoffhaltigen Beschickungsströme und
weiterer Beschickungsströme in die Reaktionszone des Gasgenerators wird im allgemeinen
ein herkömmlicher, axial im oberen Bereich des Gasgenerators angeordneter Brenner
verwendet. Der kohlenwasserstoffhaltige Beschickungsstrom kann dem Brenner in flüssiger
Phase oder zusammen mit einem Temperaturmoderator als verdampftes Gemisch zugeführt
werden. Geeignete Temperaturmoderatoren sind H2O, CO2-reiches Gas, ein Teil des
abgekühlten, sauberen Rauchabgases aus einer in einem nachgeschalteten Verfahrensschritt
verwendeten Gasturbine, mit oder ohne Beimischung von Luft, Stickstoffnebenprodukte
aus der weiter unten beschriebenen Gastrennvorrichtung, sowie Gemische der genannten
Temperaturmoderatoren.
-
Der Einsatz eines Temperaturmoderators zur Senkung der Temperatur
in der Reaktionszone hängt im allgemeinen von dem Awschen- und Sauerstoffgehalt,
sowie dem Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis des Beschickungsstroms und dem Sauerstoffgehalt
des Oxidationsmittels ab. Bei endigen gasförmigen Kohlenwasserstoffen ist ggf. kein
Temperaturmoderator erforderlich. Im allgemeinen wird jedoch ein solcher bei flüssigen
Kohlenwasserstoff-Brennstoffen und in Verbindung mit praktisch reinem Sauerstoff
verwendet.
-
Wenn das freien Sauerstoff enthaltende Gas aus Luft besteht, kann
ein Temperaturmoderator ggf. in Fortfall kommen. Wie bereits ausgeführt, kann der
Temperaturmoderator in Beimischung mit einem oder beiden Reaktantenströmen zugeführt
werden.
-
Stattdessen kann der Temperaturrr.oderator auch über eine getrennte
Rohrleitung in Brenner in die Reaktionszone des Gasgenerators eingeführt werden.
-
Wenn der Reaktionszone verhältnismäßig kleine engen an Wasser, beispielsweise
zum Kühlen der Brennerspltze durch den Brenner hindurch zugeführt werden, kann das
Wasser entweder mit dem kohlenwasserstoffhaltigen Beschickungsstrom, dem freien
Sauerstoff enthaltenden Gas, dem Temperaturmoderator oder mehreren von diesen vermischt
werden. Das Gewichtsverhältnis von Wasser zu kohlenwasserstoffhaltigem Beschikkungsstrom
kann von etwa 0,0 bis 1,0 betragen und liegt vorzugsweise im Bereich von 0,0 bis
unter 0,2.
-
Der hier verwendete Ausdruck "freien Sauerstoff enthaltendes Gas"
umfaßt Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft, welche mehr als 21 Mol-% Sauerstoff
enthält, sowie praktisch reinen, d.h. mehr als 95 Mol-% Sauerstoff enthaltendes
Sauerstoffgas (wobei der Rest aus N2 und seltenen Gasen besteht). Das freien Sauerstoff
enthaltende Gas kann in den Brenner mit einer Temperatur im Bereich von Umgebungstemperatur
bis zu etwa 982 OC eingeführt werden. Das Verhältnis von freiem Sauerstoff im Oxidationsmittel
zu Kohlenstoff im Beschickungsstrom (O/C-Verhältnis in Atom/Atom) liegt vorzugsweise
im Bereich von etwa 0,7 bis 1,5.
-
Die Beschickungsströme werden in die Reaktionszone des Heizgasgenerators
über den Heizbrenner eingeführt. Dieser Heizbrenner besteht vorzugsweise aus einem
Ringbrenner beispielsweise der in der U.S. Patentschrift 2 928 460 (Erfinder duBois
Eastman u.a.) beschriebenen Ausführung.
-
Die Beschickungsströme werden ohne Zuhilfenahme eines Katalysators
in der Reaktionszone des frei durchströmbaren Heizgasgenerators durch Teiloxidation
bei einer autogenen Temperatur
im Bereich von etwa 816 bis 1926
0C und unter einem Druck im Bereich von etwa 1 bis 250 Atm. absolut, vorzugsweise
von 10 bis 180 Atm. absolut miteinander umgesetzt. Die Reaktionszeit im Heizgasgenerator
beträgt vorzugsweise von 1 bis 10 Sekunden.
-
Das aus dem Heizgasgenerator austretende Heizgasgemisch weist etwa
die folgende Zusammensetzung (in Mol-% auf Trockenbasis) auf, wenn angenommen wird,
daß die seltenen Gase in vernachlässigbar kleinen Mengen vorhanden sind: 15 - 57
CO, 70 - 10 H2, 1,5 - 25 CO2, 0,0 bis 20 CH4, 0 - 75 N2, 0 - 2,0 H2S und O - 0,1
COS. Nicht umgesetzter, teilchenförmiger miger Kohlenstoff (bezogen auf das Gewicht
des Kohlenstoffs im Beschickungso strom) beträgt etwa 0,2 bis 20 Gew.-% bei flüssigen
Beschikkungsströmen und ist bei gasförmigen Beschickungsströmen im allgemeinen vernachlässigbar
klein.
-
Das aus dem Heizgasgenerator austretende heiße Heizgas wird in eine
getrennte, feuerfest ausgekleidete Stahlkammer mit einer Temperatur von etwa 816
bis 1926 °C entsprechend der Erzeugungstemperatur im Gasgenerator und unter etwa
dem gleichen Druck, d.h. von 10 bis 180 Atm. absolut und vorzugsweise von 15 bis
60 Atm. absolut eingeleitet. Diese Kammer kann eine Kugelform aufweisen und beispielsweise
der in der U.S.
-
Patentschrift 3 565 588 beschriebenen Ausführung entsprechen.
-
Die kugelige Kammer ist packungsfrei und weist keinen Widerstand für
ungehinderten Gasdurchsatz auf. Ein Teil der vom austretenden Heizgas mitgeführten
Feststoffe fallen aus und werden durch einen am Boden der Kugelkammer angeordneten
und zu einem Verschlußtrichter führenden Auslaß abgeführt.
-
Der Heizgasstrom wird dann durch einen in Reihe geschalteten Abhitzkessel
durchgeleitet und in diesem berührungsfrei in Wärmeaustausch mit Wasser gebracht.
Dabei wird das Heizgas auf eine Temperatur von etwa 150 bis 400 "C abgekühlt, wobei
ein
gleichgerichteter Kesselspeisewasserstrom in gesättigten Dampf mit einer Temperatur
von etwa 201 bis 316 oC und mit einem Druck von etwa 28 bis 105 atü übergeführt
wird.
-
Dieser Dampf wird einem Dampfgenerator als eines von zwei Heizmedien
zugeführt, welche (wie weiter unten beschrieben) in indirekten (berührungsfreien)
Wärmeaustausch mit einem Strom von erzeugten Wasser gebracht werden. Das erzeugte
Wasser wird in Dampf mit einer Qualität von etwa 60 bis 90 % umgewandelt. Dieser
Dampf wird dann in eine unterirdische Öllagerstätte eingeleitet und zur sekundären
Gewinnung von Öl eingesetzt. Ggf. kann ein Teil des Dampfs durch eine Wasser-Abscheidevorrichtung
durchgeleitet und anschließend als Temperaturmoderator in den Heizgasgenerator eingeführt
werden. Der aus dem Dampfgenerator austretende, verflüssigte Dampf wird als das
vorgenannte Kesselspeisewasser zum Abhitzkessel rückgeleitet.
-
Der aus dem Abhitzkessel austretende abgekühlte Heizgasstrom wird
in eine Gasreinigungszone eingeleitet, in welcher teilchenförmiger Kohlenstoff und
andere, mitgeführte Feststoffe ausgeschieden werden. Aufschlämmungen aus teilchenförmigem
Kohlenstoff in einem flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff können in der Reinigungsvorrichtung
hergestellt und als wenigstens ein Teil des Beschickungsstroms zum Heizgasgenerator
rückgeleitet werden. Zum Ausscheiden suspendierter Feststoffe aus dem Gasstrom kann
jedes bekannte Verfahren angewandt werden. Die Ausscheidung kann beispielsweise
vermittels Düsen-und Venturiwäsche erfolgen. Entsprechend einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Heizgasstrom in eine Gas-Flüssigkeits-Waschzone
eingeleitet, in welcher er mit einer Waschflüssigkeit wie z.B. flüssigem Kohlenwasserstoff
oder Wasser gewaschen wird. Eine für diesen Zweck geeignete Flüssigkeits-Gas-Säule
vom Schalentyp ist beschrieben in Perry's Chemical Engineer's Handbook, 4. Ausg.,
McGraw-Hill 1963, Seite 18-3 bis 5.
-
In dem so der Ver£airens Seizgasstrom in einer Waschsäule in direkter
Berührung und im Gegen strom zu einer entsprechenden Waschflüssigkeit oder mit verdünnten
Gemischen aus teilchenförmigem Kohlenstoff und Waschflüssigkeit, welche durch die
Säule nach unten fließen, durchgeleitet wird, wird der teilchenförmige Kohlenstoff
aus dem Heizgas abgetrennt. Eine Aufschlämmung aus teilchenförmigem Kohlenstoff
und Waschflüssigkeit wird am Boden der Säule abgezogen und kann einer Kohlenstoff-Trenn-
oder Konzentrationsvorrichtung zugeführt werden. Die entsprechende Aufbereitung
kann durch z.B. Filtrieren, Zentrifugieren, Schwerkraftabsetzen oder Extraktion
flüssiger Kohlenwasserstoffe wie z.B. nach dem in der bereits erwähnten U.S. PS
2 992 906 Verfahren erfolgen. Saubere Waschflüssigkeit oder verdünnte Gemische aus
Waschflüssigkeit und teilchenförmigem Kohlenstoff werden zum oberen Ende der Säule
rückgewälzt und erneut zum Waschen von Heizgas verwendet. Dazu wird vorzugsweise
ein Teil des bei dem Verfahren anfallenden, unter niedrigen Kosten gewonnenen Öls
in der Gasreinigungsvorrichtung verwendet. Das gewonnene Öl kann als Waschflüssigkeit
eingesetzt oder bei Verwendung von Naphtha oder anderer leichter Kohlenwasserstoffe
als Waschflüssigkeit zur Auflösung einer Naphtha-Kohlenstoff-Dispersion verwendet
werden. Öl eignet sich sehr gut für Düsenwäscher. In jedem Falle wird die erhaltene
Dispersion aus teilchenförmigem Kohlenstoff und gewonnenem Öl vorzugsweise als Teil
oder als der ganze kohlenwasserstoffhaltige Beschikkungsstrom in den Heizgasgenerator
eingeleitet.
-
Andere Gas kühl- und -reinigungsverfahren können selbstverständlich
in Verbindung mit/oder anstelle der beschriebenen Waschsäule eingesetzt werden.
So kann beispielsweise der Heizgasstrom vermittels eines Peilrohrs oder dgl. unter
der Oberfläche in eine Lösch- und Waschflüssigkeit eingeleitet werden. Auch kann
das Heizgas mehrere Waschschritte mit einem
Düsen- oder einem Venturiwäscher
durchlaufen. Nähere Angaben darüber finden sich in Perry's Chemical Engineer's Handbook,
4. Ausg., McGraw-Hill 1963, Seite 18-54 bis 56.
-
In der Gasreinigungsvorrichtung wird ein sauberes Heizgas erzeugt,
das aus H2, CO und einem oder mehreren Stoffen der Gruppe bestehend aus C02, N2,
CH4 und H20 besteht. CO2, H2S, COS, H20, NH3 und andere Gasverunreinigungen könen
von dem abgekühlten und gesäuberten, aus der Gassäuberungsvorrichtung austretenden
Heizgasstrom ausgeschieden sein. Entsprechende Verfahren sind Kühlung und physikalische
oder chemische Absorption mit Lösungsmittel wie z.B. Methanol, n-Methylpyrrolidon,
Triäthanolamin, Propylencarbonat oder auch mit Aminen oder heißem Kaliumcarbonat.
-
Bei Lösungsmittelabsorptionsverfahren kann der größte Teil des im
Lösungsmittel absorbierten C02 durch Kochen, Blitzverdampfen und Stripping freigesetzt
werden, was in wirtschaftlicher Weise mit Stickstoff erfolgt. Stickstoff steht als
preiswertes Nebenprodukt zur Verfügung, wenn eine herkömmliche Luft-Trennvorrichtung
zur Erzeugung praktisch reinen Sauerstoffs (von 95 oder mehr Mol-% 02) zur Beschickung
des Heizgasgenerators mit sauerstoffreichem Gas verwendet wird.
-
Das regenerierte Lösungsmittel wird dann zur Wiederverwendung zur
Absorptionssäule rückgeleitet. Falls erforderlich, kann eine Endreinigung dadurch
erfolgen, daß das Verfahrensgas durch Eisenoxid, Zinkoxid oder Aktivkohle durchgeleitet
wird, um Spurenrückstände von H2S oder organischen Sulfiden zu entfernen.
-
In entsprechender Weise kann das H2S und COS enthaltende Lösungsmittel
durch Blitzverdampfen und Stripping mit Stickstoff oder durch Erhitzen unter Rückstrom
bei verringertem Druck ohne Verwendung eines inerten Gases regeneriert werden.
-
H2S und COS werden dann vermittels eines geeigneten Verfahrens
Schwefel
umgewandelt Dazu lädt sich das Claus-Verfahren verwendenS mit dem elementarer Schwefel
aus HzS dargestellt wird; wie in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology,
2. Ausg0, Band 19,, John Wileya 19698 Seite 353 beschrieben ist. Überschüssiges
S02 in den Schlußgasen der Claus-Anlage Bäßt sich chemisch mit Kalk binden oder
vermittels bekannter Extraktionsverfahren ausscheiden Die Zusammensetzung des sauberen
Heizgases in Mol-% (auf Trockenbasis) beträgt im allgemeinen etwa: 10 - 60 H2, 15
- 68 COE 0,0 - 25 CH4 0,0 -20 CO2, 6,0 - 75 N2. Der Heizwert beträgt wenigstens
623 kcal/m3 und liegt im allgemeinen im Bereich von 667 bis 3115 kcal/m3, vorzugsweise
jedoch im Bereich von-667 bis 1335 kcalX m3, z. B. bei 800 kcal/m.
-
Der aus der Gasreinigungsvorrichtung abgegebene saubere Heizgasstrom
weist eine Temperatur von etwa 38 bis 427 OC auf und steht unter einem Druck von
etwa 10 bis 180 Atm. absolut, vorzugsweise von 15 bis 60 Atm. absolut. Vorzugsweise
ist der Druck des Heizgases an dieser Stelle des Verfahrens im wesentlichen gleich
dem im Heizgasgenerator herrschenden Druck, abzüglich der Druckverluste in Rohrleitungen.
Etwa 1,0 bis 6,0 Volumeneinheiten Luft pro Volumeneinheit sauberes Heizgas werden
gleichzeitig mit diesem in die Brennkammer einer Gasturbine eingeleitet. In dieser
wird der vorgewärmte saubere Heizgasstrom zusammen mit der Luft verbrannt.
-
Wenn der der Brennkammer der Gasturbine zugeführte Luftstrom eine
Temperatur von etwa 204 bis 427 OC und im wesentlichen gleichen Druck wie das Heizgas
aufweist, befindet sich das aus der Brennkammer austretende saubere Rauchgas auf
einer Temperatur von etwa 760 bis 1650 °C, üblicherweise zwischen 870 und 1150 OC,
und unter einem Druck im Bereich von etwa 3,5 bis 70 atü oder darüber, vorzugsweise
jedoch in einem Druckbereich von 7 bis 28 atü oder darüber. Dieses saubere Rauchgas
weist typischerweise die folgende analytische Zusammensetzung
in
Mol-% auf: 4 - 1Q CO2, 3 - 10 H2O, 75 - 85 N2 und 5 - 10 02. Das Rauchgas enthält
nur sehr kleine Konzentrationen an Stickoxiden (NO). Das ist auf die verhältnismäßig
niedrige Temperatur in der Brennkammer zurückzuführen, welche sich hauptsächlich
aus der verhältnismäßig niedrigen adiabatischen Flammtemperatur des verbesserten
Heizgases ergibt. Außerdem beträgt der SO2-Gehalt des Rauchgases gleich null, und
mitgeführte Feststoffteiichen sind nur in vernachlässigbar geringer Menge vorhanden.
-
Das aus der Brennkammer austretende saubere Rauchgas wird durch wenigstens
eine zur Krafterzeugung dienende Expansionsturbine durchgeleitet und stellt dabei
das Arbeitsmedium dar.
-
Die Turbine ist beispielsweise über ein Getriebe mit wenigstens einem
elektrischen Generator und wenigstens einem Turboverdichter gekoppelt. Vermittels
des Turboverdichters wird das gasförmige Oxidationsmittel vor seiner Einführung
in die Brennkammer der Gasturbine auf den erforderlichen Druck von z.B. über 10
bis 70 Atm. absolut verdichtet.
-
Das aus der Hauptexpansionsturbine austretende saubere Rauchabgas
weist eine Temperatur von etwa 427 bis 650 "C und einen Druck von etwa 1,0 bis 7,0
Atm. absolut auf. Dieser saubere Rauchgasstrom wird dem Dampfgenerator als das zweite
Heizmedium zugeführt, welches in beruhrungsfreiem, indirektem Wärmeaustausch mit
dem Wasserstrom steht und zum Zwecke der beschriebenen Dampferzeugung dient. Im
Anschluß an den Wärmeaustausch kann das abgekühlte, saubere Rauchabgas über einen
Schornstein an die freie Atmosphäre abgeleitet werden. Da Gasverunreinigungen bereits
entfernt worden sind, führt das Rauchgas praktisch überhaupt nicht zur Luftverschmutzung.
-
Vorzugsweise wird jedoch das Rauchabgas nach seinem Wärmeaustausch
in einer krafterzeugenden Turbine noch weiter expandiert und ausgenutzt.
-
Entsprechend einer abgeänderten Ausführungsform können die Funktionen
von Abhitzkessel und Dampfgenerator in ein und derselben Einheit zusammengefaßt
sein. In diesem Falle weist der entsprechende Behälter drei getrennte Durchlässe
auf, nämlich für 1) den heißen Rohheizgasstrom, 2) den heißen, sauberen Rauchabgasstrom
aus der Expansionsturbine und 3) kaltes, in entsprechender Weise aufbereitetes Wasser.
-
Andererseits kann auch sauberes Wasser durch -Wärmeaustausch mit dem
heißen, sauberen Abgas in einem ersten Wärmetauscher auf eine Temperatur von etwa
93 bis 260 OC vorgewärmt und anschließend durch weiteren Wärmeaustausch mit dem
heißen Rauchabgasstrom aus dem Heizgasgenerator in einem zweiten Wärmetauscher zu
Dampf mit einer Temperatur Von etwa 232 bis 316 OC umgewandelt werden.
-
Durch Überfluten mit Dampf kann einer unterirdischen Lagerstätte thermische
und mechanische Energie zugeführt werden, Diese ist auf den -Wärmegehalt und den
Druck des injizierten Dampfs zurückzuführen. Dampf stellt eine ideale Flüssigkeit
zur unterirdischen Injektion dar, da Dampf eine hohe Wärmekapazität aufweist. Außerdem
beträgt das Volumen von 1 kg Wasser etwa 1 dm3, wohingegen 1 kg gesättigter Dampf
von 181 OC und unter einem Druck von 14;1 atü ein Volumen von 142,7 dm3 aufweist.
-
Dampf gibt seine Wärme an die Formation und die in dieser enthaltenen
Flüssigkeiten ab und verringert die Viskosität des dicken, schweren Rohöls um beispielsweise
das 3000-fache.
-
Aufgrund der verringerten Viskosität erhält das zähflüssige Rohöl
eine höhere Fließfähigkeit innerhalb der Lagerstättenmatrix.
-
Bei seiner Abkühlung kondensiert der Dampf zu heißem Wasser, welches
das Öl verdrängt. Ein weiterer Vorteil der Dampfinjektion
besteht
darin, daß das Rohöl aufgrund der Wärmezufuhr ein größeres Volumen annimmt und Rückstandsöl
in den Porenräumen aufgrund des Dampf s herausdestilliert wird. Die Dampfqualität
kann dabei von etwa 50 bis 100 % und vorzugsweise von 70 bis 95 % betragen.
-
Die unterirdische Dampfinjektion kann vermittels unterschiedlicher
Verfahren wie z.B. nach dem Treibdampfverfahren (Steam Drive) oder dem Dampfquellverfahren
(Steam Soak) erfolgen.
-
Bei dem Treibdampfverfahren wird Dampf in ein mittiges Bohrloch injiziert,
wobei es in um dieses mittige Bohrloch herum angeordneten Produktionsbohrlöchern
zur Flüssigkeitsproduktion kommt. Ggf. kann der gesättigte Abschnitt zwischen Injektionsbohrloch
und Produktionsbohrlöchern durch Rißbildung aufgeschlossen sein, um eine Verbindung
herzustellen. Das Injektionsbohrlich befindet sich beispielsweise in der Mitte eines
Quadrats, wobei die Produktionsbohrlöcher an den vier Ecken des Quadrats angeordnet
sind und einen Abstand bis zu etwa 100 m von dem mittigen Bohrloch, durch das hindurch
Dampf injiziert wird, aufweisen. Die vermittels des Injektionsbohrlochs unterirdisch
injizierte Dampfmenge hängt von verschiedenen Parametern wie z.B. der Bohrlochtiefe,
der Formationstemperatur, der Ölviskosität, der Permeabilität und der Sättigung
ab. So können beispielsweise zwischen etwa 1800 bis 45 000 kg Dampf pro Stunde mit
einer Temperatur zwischen etwa 185 bis 340 OC und unter Oberflächeninjektionsdrücken
im Bereich von etwa 10 bis 140 atü, vorzugsweise zwischen 10 und 35 atü injiziert
werden.
-
Die Wärmeverluste im Bohrloch sind abhängig von dem geothermischen
Wärmegradienten, der Tiefe, der Verrohrung, dem Rohrgestänge, der Geometrie des
Ringraums und den Wärmeeigenschaften der Formation.
-
Bei dem Dampfquellverfahren wird Dampf über einen bestimmten
Zeitraum
von z.B. bis zu 7 Jahren in ein Bohrloch injiziert, wonach die Injektion eingestellt
und das Bohrloch anschliessend vermittels Pumpen so lange ausgepumpt wird, bis der
Förderdurchsatz abfällt, wonach erneut eine Dampfinjektionsphase vorgesehen werden
kann. Der Injektionsdruck liegt dabei im Bereich von etwa 14 bis 105 atü. Die injizierte
Dampfmenge hängt von mehreren Parametern wie z.B. der Nettosanddicke, Porosität,
Ölviskosität, Tiefe usw. ab.
-
Durch das Dampfquellverfahren wird die Produktivität eines Bohrlochs
gesteigert, der Druckabfall beschleunigt und eine Kompaktion angeregt, so daß zusätzliches
Öl gewonnen werden kann. Mit dem Dampfquellverfahren konnte eine wirksame Produktion
auch bei hochviskosem Öl erzielt werden, das mit primären Gewinnungsverfahren nicht
gefördert werden kann. Die zusätzliche Ölgewinnung ist das Ergebnis verschiedener
Einflüsse wie z.B. von Wärmeexpansion, Reaktivierung von Lösungs-Gas-Treibkraft
bei höheren Temperaturen, Verbesserung des Entzugsbereichs und Ölverdrängung durch
Wasserkondensation.
-
Durch periodische Dampfinjektion abwechselnd mit dem Auspumpen heißer
Flüssigkeiten läßt sich eine sofortige Olproduktion erzielen.
-
Öl und Wasser, die aus der unterirdischen Formation abgezogen werden,
werden voneinander getrennt. Der Wasseranteil und ggf. weiteres, an der Erdoberfläche
zugesetztes Frischwasser werden in eine Wasseraufbereitungsvorrichtung eingeführt,
welche einen Entgasungsabschnitt, einen Kontakt-Reaktionsbehälter für Trübe und
Schwerkraftfilter enthält. Die Härte (Calcium- und Magnesiumsalze). Alkalinität
(Bicarbonate und Carbonate), Siliziumdioxid, Wasserstoffsulfide, Eisen, Öl und suspendierte
Feststoffe werden ausgeschieden. Dabei können das Zeolithverfahren oder heiße oder
kalte Äscherverfahren angewandt werden. Bicarbonat kann durch Ansäuerung und Entgasen
entfernt werden. Calcium, Magnesium und Siliziumdioxid
können in
einem kalten Äscherverfahren unter Verwendung eines Trübenausfällers ausgeschieden
werden. Da dieses Verfahren mit einem hohen pH-Wert arbeitet, wird Eisen gleichfalls
ausgefällt. Kleine Mengen an Öl und sonstigen Trübungsstoffen werden von der Trübe
absorbiert. Das austretende Wasser sollte zunächst in einem Druck- oder Schwerkraftfilter
filtriert werden.
-
Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der das Verfahren in Einzelheiten
darstellenden schematischen Zeichnung näher erläutert. Es sei ausdrücklich darauf
hingewiesen, daß die Zeichnung lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt und dieses nicht auf die dargestellten Vorrichtungen
oder die verwendeten Materialien beschränkt ist. Aufgrund der Mengenangaben für
die verschiedenen Durchsatzströme eignet sich die nachstehende Beschreibung gleichzeitig
als Ausführungsbeispiel.
-
Etwa 65 000 kg Koh-lenstoff-Ol-Dispersion mit einer Temperatur von
etwa 204 OC und mit einem Gehalt von etwa 2,1 Gew.-% teilchenförmigem Kohlenstoff
werden stündlich über die Rohrleitung 1 aus der Gasreinigungsvorrichtung 2 abgezogen
und über einen (hier nicht dargestellten) herkömmlichen Brenner in den Heizgasgenerator
3 eingeleitet.
-
Das bl in der Kohlenstoff-Ol-Dispersion stammt aus einem (weiter unten
beschriebenen) nachgeschalteten Verfahrensa schritt der sekunären Ölgewinnung. Das
gewonnene Öl weist einen Heizwert von 10 16f kcal/kg, eine Dichte von 13° API und
die folgende analytische Zusammensetzung in Gew.-% auf: 85,5 C, 11,3 H, 0,2 0, o,8
N und 2,2 S.
-
Ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas wie z.B. etwa 318 375 m3 Luft
mit einer Temperatur von etwa 300 OC werden gleichzeitig über die Rohrleitung 4
zugeführt und über den Brenner
in den Gasgenerator eingeleitet.
Außerdem werden dem Heizgasgenerator 13 000 kg Dampf über die Rohrleitung 5 zugeführt.
-
In dem aufrecht stehenden, feuerfest ausgekleideten, frei durchströmbaren
Heizgasgenerator erfolgt eine nichtkatalytische Teiloxidationsreaktion bei einer
autogenen Temperatur von etwa 1290 OC und unter einem Druck von etwa 42 atü.
-
Etwa 458 460 m3 Gas, welche durch die Rohrleitung 6 aus dem Heizgasgenerator
austreten, gelangen über die Rohrleitung 7 zu dem Abhitzkessel 8. Die Zusammensetzung
des Rohheizgases in Mol-% ist wie folgt: 15,6 H2, 20,8 CO, 54,4 N2, 2,9 CO2, 5,4
H20, 0,2 H2S, 0,01 COS, 0,1 CH4 und 0,6 Ar. Etwa 2,5 Gew.-% (bezogen auf das Gewicht
des Kohlenstoffs im kohlenwasserstoffhaltigen Beschickungsstrom) teilchenförmiger
Kohlenstoff wird von dem aus dem Gas generator austretenden Gasstrom mitgeführt.
Ggf. kann in Abhängigkeit von dem Aschengehalt des kohlenwasserstoffhaltigen Beschickungsstroms
zum Heizgasgenerator wenigstens ein Teil der im austretenden Gasstrom enthaltenen
Asche durch die zu einem hier nicht dargestellten Verschlußtrichter führende Rohr
leitung 9 abgeführt werden.
-
Kesselspeisewasser tritt in einem geschlossenen Kreislauf über die
Rohrleitung 10 mit einer Temperatur von 121 OC in den Abhitzkessel 8 ein. Das Wasser
durchläuft die Heizschlange 11 und wird dabei durch den die Heizschlange außenseitig
umgebenden Heizgasstrom erhitzt und in Dampf mit einer Temperatur von etwa 303 OC
umgewandelt. Der Dampf tritt über die Leitung 12 aus dem Abhitzkessel 8 aus und
durchläuft die Heizschlange 14 des Dampfgenerators 13 in indirektem Wärmeaustausch
mit über die Rohrleitung 15 zugeführtem, aufbereitetem Wasser und durch die Heizschlange
16 durchgeleitetem Turbinenabgas.
-
Der Dampf in Heizschlange 14 wird bei dem vorbeschriebenen Wärmeaustausch
abgekühlt und dabei verflüssigt. Das dabei erhaltene Kesselspeisewasser wird über
die Leitung 10 zum Abhitzkessel 8 rückgeleitet, wodurch der geschlossene Kreislauf
vervollständigt ist. Das aufbereitete Wasser tritt mit einer Temperatur von etwa
93 OC in den Dampfgenerator 13 außerhalb der Heizschlangen 14 und 16 ein und tritt
aus diesem als Dampf in einer Qualität von 80 ° über die Rohrleitung 18 aus.
-
Ggf. kann ein Teil des durch die Rohrleitung 18 austretenden Dampf
s über die Rohrleitung 19, durch das Ventil 20 und die Rohrleitung 21 einer Dampf-Wasser-Trennvorrichtung
22 zugeführt werden, in welcher überschüssiges Wasser aus dem Dampf entfernt wird,
wobei das Wasser aus der Trennvorrichtung 22 durch die Rohrleitung 23 abgeführt
wird. Der Dampf wird über die Rohrleitung 5 als Temperaturmoderator in den Heizgasgenerator
3 eingeleitet.
-
Etwa 817 000 kg Dampf in einer Qualität von etwa 80 % werden durch
die Rohrleitung 25 mehreren (hier nicht dargestellten) Injektionsbohrlöchern zugeführt
und zur sekundären Gewinnung von Öl in unterirdische Lagerstätten eingespeist. Gleichzeitig
mit der Dampfinjektion wird ein aus etwa 136 000 bis 361 000 kg Öl und 817 000 kg
Wasser pro Stunde bestehendes Gemisch durch (ebenfalls nicht dargestellte) Produktionsbohrlöcher
abgezogen.
-
Nach Abscheidung des Wassers wird ein Teil des gewonnenen Öls über
die Rohrleitung 26 der Gasreinigungsvorrichtung 2 als Waschflüssigkeit zum Ausscheiden
von teilchenförmigem Kohlenstoff aus dem Rohheizgas zugeführt. Die Gasreinigung
erfolgt beispielsweise entsprechend der U.S. Patentschrift 3 639 261 (Slater) der
Anmelderin.
-
Das gereinigte Rohheizgas wird über Rohrleitung 27 in eine Gasreinigungsvorrichtung
28 eingeleitet, in welcher vermittels der vorstehend beschriebenen herkömmlichen
Verfahren H2S, COS und andere unerwünschte gasförmige Verunreinigungen ausgeschieden
werden. H2S und COS werden über die Rohrleitung 29 abgeführt und in eine (hier nicht
dargestellte) Schwefelrückgewinnungseinheit eingeleitet.
-
457 045 m3 reines Heizgas mit einer Temperatur von etwa 49 OC, und
das aus 15,6 H2, 20,8 CO, 55,2 N2 und seltenen Gasen, 2,9 CO2, 5,4 H2O und 0,1 Gew.-
CH4 besteht, wird über die Rohrleitung 31 in die (nicht dargestellte) Brennkammer
der Gasturbine 32 eingeleitet 670 710 m3 Luft werden gleichzeitig über die Rohrleitung
35 mit einer Temperatur von 316 "C in die Brennkammer eingeführt und zusammen mit
dem reinen Heizgas verbrannt. Das aus der Brennkammer austretende Rauchabgas wird
durch eine (nicht dargestellte) Expansionsturbine als Arbeitsmedium durchgeleitet.
Mit der Turbinenwelle sind (nicht dargestellte) Verdichter und/oder elektrische
Generatoren gekoppelt, vermittels welcher wie durch Linie 36 angedeutet mechanische
Arbeit oder wie durch Linie 37 angedeutet elektrische Energie erzeugt wird. Beide
Energieformen können auch gleichzeitig erzeugt werden.
-
Ein sauberer Rauchabgasstrom tritt durch die Rohrleitung 38 mit einer
Temperatur von 510 "C aus der Expansionsturbine aus und durchläuft die Heizschlange
16 im Dampfgenerator 13 in berührungsfreiem, indirektem Wärmeaustausch mit wie oben
beschrieben durch die Rohrleitung 15 zugeführtem, aufbereitetem Wasser. Das durch
die Rohrleitung 39 aus dem Dampfgenerator 13 austretende saubere Rauchabgas weist
eine Temperatur von 121 Oc auf und kann ohne zur Luftverschmutzung beizutragen durch
einen Schornstein an die freie Atmosphäre abgegeben werden. Ggf. kann das Rauchgas
auch als Temperaturmoderator in den Heizgasgenerator eingeleitet werden.
-
Die Dampfanregung einer typischen unterirdischen Ollagerstätte zur
Gewinnung von 4770 m3 Öl täglich erfordert ein Brennstoffäquivalent von 1270 m3
des gewonnenen Öls zwecks Erzeugung von etwa 817 000 kg Dampf mit einer Qualität
von 80 % pro Stunde, für die Dampfanregung. Der Wärmewirkungsgrad der Dampferzeugung
beträgt etwa 80 %.
-
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren lassen sich 1590
m3 pro Tag des gewonnenen Öls zur Erzeugung der gleichen Dampfmenge und gleichzeitig
zum Betrieb eines Kraftwerks mit einer Leistungsabgabe von 140 Megawatt verwenden.
Bei dem Verfahren können somit aus den zusätzlich gewonnenen 318 m3 Öl 3,36 Millionen
kWh erzeugt werden. Der Umwandlungswirkungsgrad von Öl in elektrische Energie ist
doppelt so hoch wie der bei einem herkömmlichen Kraftwerk, d.h. es ergibt sich eine
Ausbeute von 10566 kWh pro m3 Öl im Vergleich zu der Ausbeute von 4528 kWh pro m3
Öl in herkömmlichen ölbeheizten Kraftwerken.
-
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens
wird Öl einer bestimmten Beschaffenheit und Zusammensetzung als Beschickungsstrom
verwendet, und es sei nochmals darauf hingewiesen, daß das Verfahren nicht auf diesen
Beschickungsstoff beschränkt ist.
-
- Patentansprüche : -