EA016847B1

EA016847B1 - Система и способ отделения углеводородов

Info

Publication number: EA016847B1
Application number: EA201070743A
Authority: EA
Inventors: Пол Ньюман; Кристиан Нилсен
Original assignee: Эм-Ай ЭлЭлСи
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2012-07-30
Also published as: US8158000B2; US20120175317A1; WO2009079286A1; EA201070743A1; US20090156877A1; NO20101019L; CA2840857C; CA2840857A1; GB2468267B; GB2468267A; CA2709300A1; GB201011940D0; CA2709300C; AR069708A1

Abstract

Система для отделения углеводородов от твердотельного источника, причем система включает перемешивающее устройство, скомпонованное для получения суспензии, содержащей твердотельный источник и жидкость, и первый сепаратор в жидкостной связи с перемешивающим устройством, причем первый сепаратор скомпонован для выделения углеводородов из суспензии. Кроме того, второй сепаратор включает связь с первым сепаратором, причем второй сепаратор скомпонован для получения суспензии от первого сепаратора и выделения дополнительных углеводородов из суспензии, и разделительный сосуд, включающий устройство для удаления углеводородов в жидкостной связи с первым и вторым сепараторами, причем разделительный сосуд скомпонован для получения отделенных углеводородов и удаления остаточной жидкости из углеводородов. Далее включается сосуд для сбора, скомпонованный для получения углеводородов из разделительного сосуда, и сепаратор мелкодисперсных частиц в жидкостной связи с разделительным сосудом, причем сепаратор мелкодисперсных частиц скомпонован для переработки остаточной жидкости с целью получения очищенной жидкости и остаточного твердого вещества.

Description

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

Описанные здесь варианты осуществления, в общем, относятся к системам и способам переработки твердотельных источников, содержащих высокое количество углеводородов. Более конкретно, описанные здесь варианты осуществления относятся к системам и способам отделения битумных углеводородов от добытых нефтеносных песка, горной породы и глины. Еще более конкретно, описанные здесь варианты осуществления относятся к системам и способам отделения битумных углеводородов от отходов бурения, полученных в ходе операций бурения.

Уровень техники

По всему миру можно обнаружить значительные нефтяные резервы, размещенные в форме гудронного/нефтеносного песка, также известного как битуминозный песок. Битум, который представляет собой вязкий углеводород, захвачен между зернами песка, глиной и водой. Поскольку извлечение битума из песка может обеспечить все более и более ценный коммерческий источник энергии, способы извлечения и очистки битума давно исследуются.

Одним способом получения битуминозного песка является разработка месторождений. В данных операциях поверхностные или неглубоко залегающие нефтеносные пески разрабатывают открытым способом. Стоимость разработки увеличивается с глубиной залегания пласта. В некоторый момент количество породы, окружающей продуктивный пласт, и стоимость ее удаления становятся слишком большими. Данные более глубокие отложения недавно начали разрабатывать бурением скважин через данную перекрывающую породу. В некоторых случаях битум ведет себя как текучая среда при условиях пласта и может течь в скважину для добычи обычными способами. Однако в других случаях битум является либо слишком вязким, либо слишком затвердевшим, и не может течь. Для извлечения данных отложений в пласт битуминозного песка можно ввести пар или другие источники тепла для ожижения битума. Недавно стала популярной техника бурения близкорасположенных горизонтальных скважин, что позволяет контролируемый проход пара между ними. После месяцев нагнетания пара расплавленный гудрон течет в аккумулирующую скважину на извлечение. Одним таким способом является так называемое гравитационное дренирование при закачке пара.

В провинции Альберта битуминозные пески лежат в основе широко распространенных неразработанных и чувствительных с экологической точки зрения областей на севере провинции. Бурение скважин неизбежно создает огромные количества отходов битуминозного песка. В настоящее время битуминозные отходы необходимо транспортировать либо на существующие операции по добыче полезных ископаемых, либо на разрешенные для захоронения участки. Поэтому способы, которые отделяют гудрон от песка на бурильной площадке и позволят транспортировать песок достаточно чистым для захоронения на месте, могут снизить стоимость бурения.

При попытке удалить гудрон из отходов бурения могут иметь место проблемы, сходные с проблемами, встречающимися при попытке извлечь гудрон из добытого песка. Однако при удалении гудрона из отходов бурения, поверхностно-активные вещества, вещества, присутствующие в буровом растворе, и вещества, иным образом используемые для содействия удалению гудрона в течение процесса бурения, могут загрязнять отходы бурения. Такие вещества и поверхностно-активные вещества могут привести к экологическим проблемам, если их не удалить из отходов бурения перед утилизацией.

Такие способы, как указанные выше, не способствуют эффективному извлечению битумной нефти из нефтеносных песков. Вышеуказанные способы либо не были адаптированы промышленностью вследствие факта, что они существенно увеличивают стоимость извлечения битума, либо были адаптированы, но в результате привели к высоким уровням опасных отходов. Соответственно существует необходимость в способе, который увеличивает производство битумной нефти из нефтеносного песка, в то же время снижая уровни вредных отходов и давая значительно более чистый песок.

В добавление к добываемому нефтеносному песку отходы, образующиеся в ходе бурения на площадках, содержащих нефтеносный песок, могут привести к отходам бурения, включающим песок, битум и буровой раствор. Типично, такие полученные отходы хранят в резервуарах-накопителях рядом с буровой вышкой и смешивают с такими материалами, как опилки, перед переработкой на централизованном оборудовании для утилизации. Дополнительное смешивание может дать возможность утилизировать или повторно использовать песок, в то время как смешивание с грунтом может позволить захоронение в землю или использование при строительстве дорог и/или площадок под буровую установку.

Соответственно существует необходимость в системах и способах отделения углеводородов от нефтеносного песка и отходов бурения.

Сущность изобретения

В одном аспекте описанные здесь варианты осуществления относятся к системе для отделения углеводородов от твердотельного источника, причем система включает перемешивающее устройство, скомпонованное для получения суспензии, включающей твердотельный источник и жидкость, и первый сепаратор в жидкостной связи с перемешивающим устройством, причем первый сепаратор скомпонован для выделения углеводородов из суспензии. Кроме того, второй сепаратор включает связь с первым сепаратором, причем второй сепаратор скомпонован для получения суспензии от первого сепаратора и выделения дополнительных углеводородов из суспензии, и разделительный сосуд включает устройство для

- 1 016847 удаления углеводородов в жидкостной связи с первым и вторым сепараторами, причем разделительный сосуд скомпонован для получения отделенных углеводородов и удаления остаточной жидкости из углеводородов. Далее включается сосуд для сбора, скомпонованный для получения углеводородов из разделительного сосуда, и сепаратор мелкодисперсных частиц в жидкостной связи с разделительным сосудом, причем сепаратор мелкодисперсных частиц скомпонован для переработки остаточной жидкости с целью получения очищенной жидкости и остаточного твердого вещества.

В другом аспекте описанные здесь варианты осуществления относятся к способу отделения углеводородов от твердотельного источника, причем способ включает перемешивание твердотельного источника с жидкостью для получения суспензии и разделение суспензии на углеводороды и остаточную суспензию посредством по меньшей мере одной группы, состоящей из осаждения, флотации, механического перемешивания, циркуляции, аэрации и гравитационного разделения. Кроме того, осуществляют разделение остаточной суспензии на дополнительные углеводороды и фазу твердого вещества посредством противоточного отстаивания, удаление остаточной жидкости из углеводородов и дополнительных углеводородов и очистку остаточной жидкости для удаления мелкодисперсных частиц.

Другие аспекты и преимущества изобретения будут очевидны из следующего далее описания и прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 является схематическим представлением, показывающим систему для отделения углеводородов от твердотельного источника согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 представляет собой график, показывающий содержание углеводородов в виде функции скорости потока согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 3 представляет собой график, показывающий содержание углеводородов в виде функции скорости потока согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание

В одном аспекте описанные здесь варианты осуществления, в общем смысле, относятся к системам и способам отделения углеводородов от твердотельного источника. Более конкретно, описанные здесь варианты осуществления относятся к системам и способам отделения углеводородов от нефтеносного песка и отходов бурения в точке бурения. Еще более конкретно, описанные здесь варианты осуществления относятся к системам и способам отделения углеводородов в форме битума от добытого нефтеносного песка и отходов бурения в точке бурения.

Как правило, в ходе бурения скважины образуются отходы бурения по мере того, как буровое долото контактирует с пластом. По мере протекания бурения отходы бурения выносятся к поверхности ствола скважины, увлеченные буровым раствором. На поверхности ствола скважины бурильный раствор, включающий захваченные в нем отходы бурения, можно подвергнуть операциям разделения, очистке и утилизации отходов, так что бурильный раствор можно регенерировать для повторного использования при буровых работах, в то время как отходы бурения можно захоронить. Типично первичные операции разделения на участке бурения будут включать пропускание бурового раствора через сепаратор, такой как вибрационное встряхивающее устройство. В течение такой операции разделения бурильный раствор протекает через вибрационное встряхивающее устройство, имеющее множество сит и расположенных на них фильтрующих элементов. По мере того как колебания передаются буровому раствору, главным образом жидкой фазе бурильного раствора дают возможность проходить через сита вибрационного встряхивающего устройства, в то время как более крупные частицы твердой фазы остаются на сите. Отверстия в фильтрующих элементах сит вибрационного встряхивающего устройства определяют максимальный размер частиц, которые могут через них проходить. По существу, мелкие частицы могут проходить с жидкой фазой через отверстия в сите. Жидкую фазу, включающую мелкие частицы, затем можно собрать для дальнейшей обработки во вторичных операциях разделения, или в ином случае можно повторно использовать для применения в других аспектах бурильных работ (например, жидкость можно обработать и снова закачать в ствол скважины).

В то время как жидкости можно повторно использовать в бурильных работах, отделенные частицы твердой фазы типично либо собирают для окончательного захоронения, либо в ином случае обрабатывают, используя вторичные операции разделения. Примеры вторичных операций разделения могут включать дополнительные вибрационные встряхивающие устройства, центрифуги, гидроциклоны, устройства термической десорбции и другие методы отделения жидкостей от твердых веществ, известные из уровня техники. Посредством этого вторичные операции разделения могут предусматривать сбор дополнительной жидкой фазы, которую можно повторно использовать в бурильных работах, а также дополнительную очистку твердых частиц перед захоронением. В зависимости от местного законодательства, где бурится ствол скважины, твердые частицы могут требовать очистку, так что уровни углеводородов и химических веществ в частицах твердой фазы уменьшают до уровней, безопасных для окружающей среды. Например, в определенных местах нормативы могут требовать, чтобы захоронение в землю отходов было разрешено только, если общее содержание нефтяных углеводородов составляет менее 1 мас.%. Таким образом, снижение уровня углеводородов в твердых частицах может требовать многократных стадий очистки и обезвреживания перед захоронением.

- 2 016847

Специалисты в данной области примут во внимание, что захоронение в землю является только одним из методов захоронения частиц твердой фазы из участков бурения. Другие методы могут позволить смешать твердые частицы с чистым грунтом перед распределением в землю, посредством этого позволяя, например, сделать допустимым общее содержание нефтяных углеводородов, составляющее менее 0,4%. В других вариантах осуществления может быть допустимым общее содержание нефтяных углеводородов, составляющее менее 5,0%, если твердую фазу используют в проектах промышленного строительства, например при строительстве дорог и/или площадок под буровую установку. Более того, твердая фаза может требовать меньшей переработки или большей переработки, в зависимости от месторасположения буровой операции.

Кроме частиц твердой фазы, которые представляют собой отходы буровых работ, в некоторых операциях частицы твердой фазы можно активно собирать, чтобы дать возможность удалить из них углеводороды. Например, как объяснено выше, добытый нефтяной песок и частицы твердой фазы, образовавшиеся при бурении пласта, содержащего добываемый нефтеносный песок, могут привести в результате к частицам твердой фазы, содержащим высокие уровни углеводородов. Частицы твердой фазы, содержащие значительные количества углеводородов, можно, таким образом, активно собирать и подвергать обеззараживанию, чтобы очистить частицы твердой фазы, в то же время собирая углеводороды. Извлеченные углеводороды можно добавить в технологическую линию, посредством этого увеличивая эффективность добычи.

Специалисты в данной области примут во внимание, что частицы твердой фазы, полученные бурением, добычей или в качестве побочного продукта бурильной операции, могут привести к твердой фазе, содержащей значительные количества углеводородов. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения, подробно обсужденные ниже, могут дать возможность извлечения углеводородов из добытых нефтеносных песков и/или отходов бурения. Используемый здесь термин твердотельный источник относится к нефтеносному песку, отходам бурения и другим частицам твердой фазы, присутствующим в точке бурения. Кроме того, углеводороды относится к любым углеводородам в точке бурения, включая углеводороды в форме гудрона, нефти или, более конкретно, битумной нефти.

Кроме того, системы и способы, описанные здесь, можно использовать в качестве первичной или вторичной операции разделения в точке бурения. В других вариантах осуществления системы и способы, описанные здесь, можно использовать в качестве способа, независимого от операций разделения, и, по существу, могут составлять системы и способы извлечения углеводородов в течение эксплуатации нефтяной скважины или в ходе добычи полезных ископаемых, независимой от буровых работ.

Ссылаясь на фиг. 1, на ней показано схематическое представление системы для отделения углеводородов от твердотельного источника. В данном варианте осуществления твердотельный источник переносят из другого вида буровой работы в перемешивающее устройство 101. Твердотельный источник можно переносить из первичной или вторичной операции, непосредственно из ствола скважины, из операции по добыче полезных ископаемых или со склада. Перемешивающее устройство 101 может включать бункерное загрузочное устройство 102, скомпонованное для получения твердотельного источника и предварительного смешивания твердотельного источника с жидкостью. По существу, перемешивающее устройство 101 может включать один или несколько портов ввода воды (не показаны), расположенные таким образом, чтобы составлять одно целое с бункерным загрузочным устройством 102 или на выходе (не показан) бункерного загрузочного устройства 102.

Жидкости, смешиваемые с твердотельным источником, могут включать нагретую воду, соляной раствор или другие растворы, включающие химические добавки для дополнительного увеличения отделения углеводородов от твердотельного источника. В некоторых вариантах осуществления вода может включать воду, получаемую из других компонентов системы, так что система включает, по существу, водный цикл закрытого типа. В данном варианте осуществления воду передают посредством водной линии 103 от другого компонента системы и вводят на выходе из питающего бункера 102. По мере смешивания жидкости и твердотельного источника получают суспензию. Таким образом, суспензия может включать смесь твердой фазы, жидкостей и первоначально разделенных углеводородов. В определенных аспектах суспензию можно затем аэрировать посредством, например, воздушного компрессора 104. Таким образом, воздушный компрессор 104 может аэрировать суспензию, давая возможность микропузырькам протекать через жидкость, посредством этого контактируя с твердой фазой и содействуя отделению от нее углеводородов. В некоторых вариантах осуществления аэрирование и добавление жидкости может происходить посредством одного устройства, например пар вводят в перемешивающее устройство 102.

В данном варианте осуществления твердотельный источник вводят в перемешивающее устройство 101 и разбавляют в соотношении один к одному нагретой водой, так что углеводороды размягчаются и текучесть суспензии увеличивается. После перемешивания суспензию передают из перемешивающего устройства 101 в эдуктор 105, связанный с ним жидкостной связью. Эдуктор 105 может включать, например, струйные насосы, насосы Вентури или другие устройства, которые создают перепад давления в замкнутом пространстве, и может посредством этого засасывать суспензию из перемешивающего устройства 101. В данном варианте осуществления перепад давления в эдукторе 105 создают потоком жид

- 3 016847 кости из транспортной линии 106. В одном аспекте жидкость в транспортной линии 106 может включать очищенную текучую среду из другого компонента системы. По существу, жидкость можно нагреть перед введением в эдуктор 105, таким способом дополнительно увеличивая разделение углеводородов в твердотельном источнике в суспензии. Специалисты в данной области примут во внимание, что эдуктор 105 может предоставить способ контроля добавления воды в суспензию. Кроме того, эдуктор 105 может предусматривать увеличенный сдвиг суспензии, посредством этого дополнительно содействуя отделению углеводородов в суспензии. Благодаря сдвигу в аспектах, использующих нагретую воду, эдуктор 105 может увеличить скорость увеличения температуры углеводорода, посредством этого обеспечивая большее гравитационное разделение, что будет подробно обсуждено ниже. Специалисты в данной области примут во внимание, что в альтернативных вариантах осуществления эдуктор 105 можно заменить другим типом перекачивающего насоса. Например, в альтернативных вариантах осуществления можно использовать центробежный насос, насос-смеситель с динамическим сдвигом, статический насоссмеситель или другие поршневые насосы прямого вытеснения/откачивающие насосы.

По мере того как суспензия течет в эдуктор 105, суспензия активизируется и может быть передана в первый сепаратор 107. В данном варианте осуществления первый сепаратор 107 представляет собой гидроциклон; однако специалисты в данной области примут во внимание, что в альтернативных вариантах осуществления первый сепаратор 107 может включать любой сепаратор, известный из уровня техники, который позволяет отделение твердой фазы от жидкости. Например, в альтернативных вариантах осуществления первый сепаратор 107 может включать центрифугу. В данном варианте осуществления активированную суспензию вводят в первый сепаратор 107, где первый сепаратор 107 придает центробежную силу суспензии для отделения твердой фазы от жидкости. Верхний продукт из гидроциклона содержит, главным образом, жидкость и извлеченные углеводороды, в то время как нижний продукт содержит, прежде всего, твердую фазу, а также некоторую часть остаточных углеводородов и жидкости. Затем верхний продукт перемещают из первого сепаратора 107 в разделительный сосуд 108, что будет подробно обсуждаться позднее.

Нижний продукт затем передают во второй сепаратор 109 в жидкостной связи с первым сепаратором 107. В данном варианте осуществления второй сепаратор 109 представляет собой колонну отстаивания; однако специалисты в данной области примут во внимание, что в альтернативных вариантах осуществления второй сепаратор 109 может включать другие типы колонн для гравитационного разделения. Как иллюстрируется, вторичный сепаратор 109 включает воронкообразный раструб 110, посредством этого позволяя подачу нижнего продукта от первого сепаратора 107 во вторичный сепаратор 109 при оптимальной скорости. В зависимости от вязкости суспензии, поступающей во вторичный сепаратор 109, аспекты воронкообразного раструба 110 можно варьировать для достижения оптимальной скорости подачи. Примеры таких аспектов, которые можно варьировать, включают геометрию, длину и диаметр воронкообразного раструба 110.

Когда суспензия течет из воронкообразного раструба 110 в корпус (отдельно не пронумерован) вторичного сепаратора 109, суспензия течет вниз, в то время как поток нагретой воды в корпусе вторичного сепаратора 109 течет вверх. По мере того как нагретая вода контактирует с твердой фазой в суспензии, углеводороды отделяются от твердой фазы и текут вверх, в то время как твердая фаза осаждается по направлению к нижней части корпуса. Как правило, твердая фаза будет течь вниз корпуса, проходя внизу внешней границы, где поток воды наверх незначителен. По существу, верхний продукт из колонны отстаивания в основном включает углеводороды и остаточную жидкость, в то время как нижний продукт, главным образом, включает твердую фазу. Специалисты в данной области примут во внимание, что в данном варианте осуществления конструкция вторичного сепаратора 109 оказывает влияние на количество твердой фазы, которая течет в верхний продукт. Снижая количество твердой фазы, поступающей в верхний продукт из колонны отстаивания, можно увеличить извлечение углеводородов в результате более длительного пребывания твердой фазы в колонне. В данном варианте осуществления на эффективность вторичного сепаратора 109 можно воздействовать конструкционными параметрами колонны отстаивания. Закон Стокса устанавливает, что скорость осаждения или конечная скорость частицы управляется ускорением, размером частиц, разницей плотности между твердой и жидкой фазами и вязкостью среды ^=(С_гП²(Р₅-Л))/х/ (1) где У₈ представляет собой скорость осаждения или конечную скорость в фут/с; С представляет собой константу 2,15· 10^-7; д представляет собой ускорение в фут/с²; Ό представляет собой диаметр частиц в микронах; Р₈ представляет собой удельную массу твердой фазы; Р_ь представляет собой удельную массу жидкой фазы и μ представляет собой вязкость среды в сантипуазах. Соответственно если поток воды в колонне отстаивания заставляет частицы твердой фазы подниматься со скоростью больше, чем скорость осаждения, тогда частица не будет осаждаться в колонне. Посредством выбора колонны с правильно установленным размером можно контролировать скорость восходящего потока воды. Предшествующие тесты показывают, что приблизительно 90% твердой фазы, содержащейся в отходах бурения, имели размер частиц 32 мкм или более в диаметре и, следовательно, колонну можно сконструировать так, что ско

- 4 016847 рость осаждения 32-микронной частицы больше, чем скорость подъема воды. По существу, твердую фазу можно вымыть из нижней части колонны и перенести из системы.

Специалисты в данной области примут во внимание, что колонну отстаивания можно сконструировать для оптимального отделения углеводородов и осаждения твердой фазы и можно варьировать, регулируя конструкционные параметры колонны. Примеры таких конструкционных параметров могут включать длину окружности колонны, длины, скорости потока суспензии на входе и выходе и скорости потока нагретой воды на входе и выходе. Кроме содействия отделению углеводородов от твердой фазы, твердая фаза может шлифоваться колонной отстаивания, так что последующие операции очистки для твердой фазы могут не потребоваться.

После того как суспензию разделяют во вторичном сепараторе 109, углеводороды и остаточная жидкость перетекают из сепаратора и перемещаются в разделительный сосуд 108. Нижний продукт, включая твердую фазу, затем можно удалить из вторичного сепаратора 109, используя транспортирующее устройство (не показано), такое как наклонный шнек, ротационный воздушный затвор, шламовый насос или другие устройства, известные из уровня техники, для передачи твердотельного источника. В одном варианте осуществления после выхода из вторичного сепаратора 109 твердая фаза может перемещаться в третичное разделительное устройство 111. Третичное разделительное устройство 111 может включать вибрационный сепаратор, такой как вибрационный сепаратор, описанный выше. После третичного разделения твердую фазу можно выгрузить, переработать дополнительной операцией очистки и остаточные жидкости, собранные при разделении, можно снова добавить в систему или использовать иным образом при буровых работах.

Верхний продукт из вторичного сепаратора 109, включающий углеводороды и остаточные жидкости, затем передают в разделительный сосуд 108 вместе с углеводородами, перемещаемыми из первого сепаратора 107. Разделительный сосуд 108 включает первую часть 112, включающую устройство для удаления углеводородов, в данном варианте осуществления - нефтесборщик 113. По мере того как углеводороды и жидкость поступают в разделительный сосуд 108, углеводороды стремятся всплыть на поверхности жидкости, в то время как остаточная твердая фаза, например мелкодисперсные частицы, стремится осесть в нижней части разделительного сосуда 109. Нефтесборщик 113 может включать любой тип нефтесборщика, известный из уровня техники, включая, например, барабанный нефтесборщик, ротационный нефтесборщик или дисковый нефтесборщик. В данном варианте осуществления нефтесборщик 113 представляет собой ротационный нефтесборщик с изменяемой скоростью. Нефтесборщик 113 включает полый полиэтиленовый барабан, к которому могут легко прилипать углеводороды. Если необходимо, барабан можно заполнить непрерывным потоком холодной воды, чтобы содействовать сбору углеводородов посредством увеличения вязкости углеводородов. После сбора углеводороды перемещают в сборный резервуар 114 посредством выпускного отверстия 115.

Мелкодисперсную твердую фазу, которая оседает на дне первой части 112, можно затем удалить из первой части 112 потоком воды посредством насоса 117. В данном варианте осуществления насос 117 включает винтовой насос кавитационного типа, но специалисты в данной области примут во внимание, что также можно использовать другие насосы, такие как поршневые насосы прямого вытеснения другого типа. Поток из насоса 117 передают в сепаратор мелкодисперсных твердых частиц 118, в данном варианте осуществления в декантирующую центрифугу. По мере того как мелкодисперсные твердые частицы и жидкость обрабатываются центрифугой 118, мелкодисперсные твердые частицы удаляются и выгружаются 119, в то время как жидкость передают обратно во вторую часть 116 разделительного сосуда 108. В других вариантах осуществления сепаратор мелкодисперсных частиц 118 может включать гидроциклоны или другие устройства для разделения, способные отделять мелкодисперсные твердые частицы от суспензии.

Специалисты в данной области примут во внимание, что перед или одновременно с переработкой суспензии в центрифуге 118 можно ввести химические добавки, чтобы увеличить удаление мелкодисперсных частиц твердой фазы и/или остаточных углеводородов из суспензии. Примеры химических добавок, которые можно использовать, обычно включают флокулянты и коагулянты, которые хорошо известны из уровня техники.

По мере того как очищенная жидкость выходит из центрифуги 118, текучую среду перемещают во вторую часть 116 разделительного сосуда 108. Вторая часть 116 отделена от первой части 112 перегородкой 123. По существу, очищенной жидкости дают возможность течь из первой части 112 под перегородкой 123 и через отбивную решетку 120 во вторую часть 116. Вторую часть 116 можно, таким образом, использовать в качестве резервуара для хранения технологических жидкостей, которые необходимо использовать в других аспектах системы. Поскольку вторую часть можно использовать в качестве резервуара для хранения, жидкости, используемые в системе, можно резервировать, посредством этого создавая, по существу, замкнутый водный цикл. Специалисты в данной области примут во внимание, что в альтернативных вариантах осуществления может быть использовано множество сосудов вместо одного сосуда с множеством отделений. В таком варианте осуществления перегородка 123 может располагаться только в одном сосуде и можно обеспечить отбивную решетку 120 для потока из первого сосуда во второй сосуд.

- 5 016847

Когда для перемешивающего устройства 102, эдуктора 105 или второго сепаратора 109 необходима дополнительная жидкость, воду можно закачивать из второй части 116 в нагревающее устройство 121. Нагревающее устройство 121 может включать бойлер или другое устройство, способное нагреть текучую среду до определенной температуры. Затем нагретую жидкость передают к другим компонентам системы посредством одного или нескольких насосов 122а и 122Ь. В данном варианте осуществления насос 122а представляет собой винтовой насос кавитационного типа с регулируемой скоростью, и, по существу, его можно использовать для перекачки нагретой жидкости потоком высокого давления к эдуктору 105. Поток высокого давления от насоса 122а посредством этого может обеспечить дополнительное сдвигающее усилие в эдукторе 105, дополнительно увеличивая выделение углеводородов из суспензии. В данном варианте осуществления насос 122Ь может быть насосом любого типа, известного из уровня техники, который может обеспечить поток нагретой жидкости в перемешивающее устройство 101 и/или во вторичный сепаратор 109. В некоторых вариантах осуществления насосы 122а и 122Ь можно также использовать, чтобы обеспечить поток нагретой текучей среды к другим компонентам системы, таким как первый сепаратор 107 или третичный сепаратор 111.

Поскольку цикл жидкости, по существу, является замкнутым, жидкость может рециркулировать через систему с увеличенной эффективностью. Кроме того, замкнутый цикл может позволить оператору контролировать такие аспекты текучей среды, как температура и рН. При регулировании аспектов жидкостей в системе оператор может регулировать температуру жидкости, например, в соответствии с конкретным типом извлекаемых углеводородов. Специалисты в данной области примут во внимание, что битумные углеводороды имеют более высокую плотность, чем вода при 25°С, но меньшую плотность, чем вода при 70°С. Это вызвано тем, что коэффициент расширения у битумных углеводородов больше чем у воды. В некоторых вариантах осуществления специалисты в данной области примут во внимание, что для удаления наибольшего объема углеводородов температуру можно варьировать в диапазоне, например, от 25 до 77°С. В других вариантах осуществления может быть выгодным поддерживать температуру процесса от 65 до 77°С. Специалисты в данной области поймут, что для поддержания температуры процесса внутри идентифицированного выше диапазона может быть необходимо нагреть жидкость, например, приблизительно до 90°С перед введением жидкости в индивидуальные компоненты системы.

Другие параметры жидкости, которые можно регулировать, включают рН жидкостей. Как кислотные, так и щелочные условия могут привести к эмульгированию битумных углеводородов из твердых веществ, так что жидкости для системы могут оказаться неизвлекаемыми. Специалисты в данной области поймут, что степень загрязнения жидкости может увеличиться по мере того, как жидкости рециркулируют через систему, посредством этого увеличивая вязкость воды и снижая эффективность очистки. Как правило, сохранение рН примерно в нейтральном диапазоне может быть достаточным, чтобы вызвать деэмульгацию битумных углеводородов. Например, в одном варианте осуществления касательно эффективности очистки при 77°С и рН 7 в течение извлечения углеводородов может быть возможной скорость потока жидкостей через систему вплоть до 21,4 галлон/мин. Увеличение рН может привести к большему извлечению углеводородов; однако специалисты в данной области примут во внимание, что баланс температуры, рН и скорости потока будет зависеть от конкретного обрабатываемого твердотельного источника. В некоторых вариантах осуществления регулирование рН в диапазоне от 5 до 11 может обеспечить повышенную эффективность извлечения, в то время как в других вариантах осуществления оптимальным может быть значение рН, равное примерно 7. Аналогичным образом, специалисты в данной области примут во внимание, что могут быть достигнуты различные скорости потока в зависимости от баланса температуры, рН и обрабатываемого твердого вещества.

В некоторых вариантах осуществления к системе могут быть добавлены дополнительные компоненты. Например, в одном варианте осуществления система может включать бойлер, который получает технологическую воду из внутренней части системы, или воду из внешнего источника. В таком варианте осуществления бойлер может генерировать пар, который можно вводить в перемешивающее устройство 101, разделительный сосуд 108 или вторичный сепаратор 109. Введение пара, таким образом, может увеличить отделение углеводородов от твердотельного источника.

Примеры

Мелкомасштабная система была сконструирована для обработки небольших партий твердых веществ в качестве доказательства концепции для данной технологии. Источником твердой фазы являлись три различные операции в Альберте, Канада (помеченные А, В и С) и операции горизонтальнонаправленного бурения (’ΉΌΌ¹¹). Состав полученных образцов дан в таблице________

Отходы бурения с гравитационным дренированием при закачке пара битуминозного песчаника в Альберте
Маркировка образца	Глубина, м	Вода, % об	Песок, % об.	Битум, % об.
А1	747	-	-	-

Отходы НЭО битуминозного песчаника
Маркировка образца	Глубина, м	Вода, %об	Песок, % об.	Битум, % об.
ΗΟϋΙ	-	19	80	1

- 6 016847

А2	865		-		Ηϋϋ2		21	78	1
АЗ	1015	-	-	-	Ηϋϋ3		19	80	1
А4	1180	8	15	77	Ηϋϋ4		20	79	1
А5	1320	9	18	73	Ηϋϋ5		20	79	1
В1	1007	11	11	78	Ηϋϋ8		36	58	6
В2	1250	5	10	85	Ηϋϋ9		21	78	1
С1	958-1020	11	6	83	ΗϋϋΙΟ		22	77	1
С2	1190	5	71	24	ШЛИ 5		19	80	1
сз	1250	20	0	80	НОВ 17		22	77	1
С4	Не	5	91	4	ШЛИ 8		32	64	4
	известна
С5	Не	2	91	7	ШЛЭ20	-	23	76	1
	известна
С6	Не	5	95	0
	известна
С7	1321	11	11	78
С8	1329	7	10	83

Основная часть твердой фазы из Альберты имеет высокое содержание битумных углеводородов, составляющее 77-85% с содержанием твердого вещества в диапазоне 6-20%. Несколько образцов из Альберты (С2, С4-6) содержали более высокое количество твердой фазы (вплоть до 95%) и низкое количество углеводородов (0-7%). Образцы НЭП также типично содержали низкие количества битумных углеводородов, типично 1%. Высокое количество присутствующей твердой фазы (61-80%) представляло собой мелкодисперсную пыль, глину и аргиллит. Эти данные служат типичным примером крайнего варьирования по твердой фазе, которую должна быть способна переработать система.

Был осуществлен тест для определения оптимальной технологической скорости потока. Поток через эдуктор должен быть достаточным, чтобы извлечь отходы бурения из перемешивающего устройства в обрабатывающее оборудование, и, по существу, скорости подачи могут различаться в зависимости от удельной массы и вязкости. Твердая фаза с высоким содержанием битумных углеводородов является очень вязкой, и достигаемые скорости потока для переработки являлись низкими. Твердую фазу перерабатывали в диапазоне скоростей потока и осуществляли визуальное наблюдение за верхним и нижним продуктом гидроциклона и колонны отстаивания. Скорость осаждения (У₈), определяющаяся законом Стокса, управляется ускорением, которое связано со скоростью потока на входе. Граница отделения будет улучшаться по мере увеличения скорости потока и давления в гидроциклоне, приводя к более тонкой твердой фазе, выгружаемой и очищаемой с помощью колонны отстаивания. Однако любому преимуществу, обнаруживаемому в границе отделения при увеличении скорости потока, будет противодействовать турбулентность, создаваемая на входе колонны отстаивания. Когда это имеет место, присутствующие частицы мелочи и глины не будут осаждаться в колонне, а будут сливаться с водой в отстойник. Поэтому технологические скорости потока регулировали для каждого образца с тем, чтобы минимизировать твердую фазу, уносимую в технологическую воду, и достигали осаждения твердой фазы при помощи колонны. Обработку твердой фазы из Альберты, используя мелкомасштабное оборудование, проводили при скоростях потока системы 21,5 галлон/мин. Вследствие присутствия мелкодисперсной твердой фазы в отходах НЭЭ скорости потока необходимо было понизить до 15 галлон/мин для основного числа тестов, чтобы предотвратить унос твердой фазы из колонны отстаивания.

Рабочая температура является важной в качестве движущей силы для размягчения, термического расширения и флотации битумных углеводородов. Если рабочая температура является слишком низкой, битумные углеводороды будут осаждаться в колонне отстаивания с твердой фазой. Поэтому, когда температура является слишком низкой, эффективность очистки битуминозного песка может снизиться. При использовании твердой фазы из Альберты с высоким содержанием битумных углеводородов рабочую температуру варьировали от 65 до 77°С и содержание углеводородов очищенной твердой фазы из Альберты измеряли в виде функции скорости потока (фиг. 2). Можно заметить, что когда рабочая температура равна 65°С, требовались скорости потока менее 15 галлон/мин, чтобы дать достаточное время пребывания для адекватной очистки образца и обеспечить теплопередачу. По мере увеличения рабочей температуры достижимая скорость потока при сохранении содержания нефти в очищенной твердой фазе ниже технических требований в 0,4% увеличилась. При 71°С требуются скорости потока менее 16,7 галлон/мин. При 74°С скорость обработки можно было бы увеличить до 18,8 галлон/мин и далее до 21,4 галлон/мин по мере увеличения температуры до 77°С.

Образцы 111)1) обрабатывали данной системой при различных температурах от 65 до 77°С. Образцы очищенной твердой фазы анализировали методом Дина-Старка, известным специалистам в данной области, и фиг. 3 показывает, что при всех условиях обработки образцы имели концентрации углеводородов существенно ниже требований по обработке, равных 0,4%. Окончательные данные наводят на мысль, что очистка твердой фазы 111)1) была проще, чем для твердой фазы из Альберты, и это с наибольшей вероятностью можно приписать низкому начальному содержанию углеводородов в данных образцах. Содержание мелочи в твердой фазе означает, что скорость обработки была снижена в среднем до 15 галлон/мин, чтобы предотвратить вынос мелочи из колонны отстаивания.

Вышеописанные примеры являются конкретными для переработки битумных углеводородов как для битуминозного песка, так и для отходов бурения. Однако специалисты в данной области примут во

- 7 016847 внимание, что способы, описанные относительно настоящего описания изобретения, подходят для переработки твердой фазы из различных аспектов буровых работ.

Преимущественно варианты осуществления настоящего изобретения также могут предоставить эффективный способ переработки твердой фазы, содержащей углеводороды, в точке бурения. Поскольку система использует поток жидкости замкнутого типа, жидкости, используемые в системе, по существу, можно применять повторно, посредством этого снижая издержки, связанные с добавлением и заменой жидкостей, нагревом дополнительных жидкостей или регулированием параметров жидкостей. Аналогичным образом, имея поток жидкости замкнутого типа, можно контролировать рН и температуру, так что корректировку параметров можно осуществить до того, как возникнут проблемы.

Также преимущественно варианты осуществления настоящего изобретения могут предусматривать извлечение углеводородов из твердой фазы, используя, главным образом, воду для очистки твердой фазы. По существу, издержки, связанные с извлечением углеводородов, можно снизить, поскольку можно избежать дорогих химических добавок. Кроме того, снижая потребность в химических добавках, способ является экологически чувствительным, посредством этого предоставляя эффективный метод очистки твердой фазы в точке бурения в чувствительной с точки зрения экологии области. Более того, поскольку система может дать, по существу, очищенную твердую фазу, выгруженную твердую фазу из точки бурения можно удалить в отходы в точке бурения с меньшим воздействием на окружающую среду.

Преимущественно варианты осуществления настоящего изобретения также могут предусматривать эффективный способ извлечения углеводородов из твердых продуктов бурения, которые в ином случае могут остаться неиспользованными. Удаление углеводородов из твердой фазы, твердой фазы, которая в противном случае может быть выброшена, может в результате привести к дополнительному извлечению углеводородов, посредством этого увеличивая объем добычи из скважины.

В то время как настоящее изобретение было описано относительно ограниченного числа вариантов осуществления, специалисты в данной области, имея преимущество данного описания, примут во внимание, что могут быть изобретены другие варианты осуществления, которые не отклоняются от объема изобретения, описанного здесь. Соответственно объем описания следует ограничивать только прилагаемой формулой изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Система для отделения углеводородов от твердотельного источника, включающая перемешивающее устройство, скомпонованное для получения суспензии, содержащей твердотельный источник и жидкость;

первый сепаратор в жидкостной связи с перемешивающим устройством, причем первый сепаратор скомпонован для выделения углеводородов из суспензии;

второй сепаратор в жидкостной связи с первым сепаратором, причем второй сепаратор скомпонован для получения суспензии от первого сепаратора и выделения дополнительных углеводородов из суспензии;

разделительный сосуд, включающий устройство для удаления углеводородов в жидкостной связи с первым и вторым сепараторами, причем разделительный сосуд скомпонован для получения отделенных углеводородов и удаления остаточной жидкости из углеводородов;

сосуд для сбора, скомпонованный для получения углеводородов из разделительного сосуда; и сепаратор мелкодисперсных частиц в жидкостной связи с разделительным сосудом, причем сепаратор мелкодисперсных частиц скомпонован для переработки остаточной жидкости с целью получения очищенной жидкости и остаточного твердого вещества.
2. Система по п.1, дополнительно включающая транспортер твердого вещества в жидкостной связи со вторым сепаратором.
3. Система по п.2, дополнительно включающая вибрационный сепаратор, скомпонованный для получения твердого вещества от транспортера твердого вещества.
4. Система по п.2, где транспортер твердого вещества включает по меньшей мере одно устройство, выбранное из группы, состоящей из шнекового транспортера, ротационного воздушного затвора и шламового насоса.
5. Система по п.1, где первый сепаратор углеводородов включает гидроциклон.
6. Система по п.1, где второй сепаратор углеводородов включает колонну отстаивания.
7. Система по п.1, где устройство для удаления углеводородов включает устройство, выбранное из группы, состоящей из барабанного нефтесборщика, ротационного нефтесборщика и дискового нефтесборщика.
8. Система по п.1, где перемешивающее устройство включает смесительный сосуд, скомпонованный для получения твердотельного источника; и эдуктор в жидкостной связи со смесительным сосудом и первым сепаратором углеводородов.
9. Система по п.1, где перемешивающее устройство скомпоновано, чтобы использовать очищенную жидкость для получения суспензии.

- 8 016847
10. Система по п.1, дополнительно включающая нагревающее устройство в жидкостной связи с разделительным сосудом и перемешивающим устройством, где нагревающее устройство скомпоновано для нагрева очищенной текучей среды из разделительного сосуда.
11. Система по п.1, где разделительный сосуд включает первую часть в жидкостной связи со вторым сепаратором, где первая часть включает устройство для удаления углеводородов; и вторую часть, скомпонованную для получения потока жидкости из первой части.
12. Система по п.1, где разделительный сосуд включает перегородку, расположенную между первой частью и второй частью.
13. Система по п.1, дополнительно включающая устройство аэрации в жидкостной связи с перемешивающим устройством.
14. Способ отделения углеводородов от твердотельного источника при помощи устройства по п.1, в котором смешивают твердотельный источник с жидкостью для получения суспензии;

разделяют суспензию на углеводороды и остаточную суспензию посредством по меньшей мере одной группы, состоящей из осаждения, флотации, механического перемешивания, циркуляции, аэрации и гравитационного разделения;

разделяют остаточную суспензию на дополнительные углеводороды и фазу твердого вещества посредством противоточного отстаивания;

удаляют остаточную жидкость из углеводородов и дополнительных углеводородов и проводят очистку остаточной жидкости для удаления мелкодисперсных частиц.
15. Способ по п.14, дополнительно включающий повторное использование очищенной остаточной жидкости для использования в качестве жидкости для смешивания.
16. Способ по п.14, дополнительно включающий модифицирование рН суспензии.
17. Способ по п.16, где модифицирование включает регулирование рН суспензии в диапазоне от 5 до 11.
18. Способ по п.17, где модифицирование включает регулирование рН суспензии примерно до 7,0.
19. Способ по п.14, где смешивание включает динамический сдвиг суспензии.
20. Способ по п.14, дополнительно включающий нагрев по меньшей мере одного компонента из группы, состоящей из жидкости, очищенной остаточной жидкости и суспензии.
21. Способ по п.14, дополнительно включающий аэрацию по меньшей мере одного компонента из группы, состоящей из жидкости, очищенной остаточной жидкости и суспензии.

Фиг. 1

Фиг. 2

------------1 Ж150Т О160Т Δ165Τ + 170°г Ιη - О О Δ ж Δ Критерий обработки ..Л............. О О 8 Δ + Ί----------

- 9 016847

Фиг. 3