EP2847422B1 - Vorrichtung und verfahren zur gewinnung von kohlenstoffhaltigen substanzen aus ölsand - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur gewinnung von kohlenstoffhaltigen substanzen aus ölsand Download PDF

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EP2847422B1
EP2847422B1 EP13733976.8A EP13733976A EP2847422B1 EP 2847422 B1 EP2847422 B1 EP 2847422B1 EP 13733976 A EP13733976 A EP 13733976A EP 2847422 B1 EP2847422 B1 EP 2847422B1
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EP
European Patent Office
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steam
generator
bitumen
circuit
heat exchanger
Prior art date
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EP13733976.8A
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French (fr)
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EP2847422A2 (de
Inventor
Andreas Koch
Bernd Leidinger
Hermann May
Matthias SCHÖNEICH
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP2847422B1 publication Critical patent/EP2847422B1/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G1/00—Production of liquid hydrocarbon mixtures from oil-shale, oil-sand, or non-melting solid carbonaceous or similar materials, e.g. wood, coal
    • C10G1/04—Production of liquid hydrocarbon mixtures from oil-shale, oil-sand, or non-melting solid carbonaceous or similar materials, e.g. wood, coal by extraction
    • C10G1/047—Hot water or cold water extraction processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G1/00—Production of liquid hydrocarbon mixtures from oil-shale, oil-sand, or non-melting solid carbonaceous or similar materials, e.g. wood, coal
    • C10G1/002—Production of liquid hydrocarbon mixtures from oil-shale, oil-sand, or non-melting solid carbonaceous or similar materials, e.g. wood, coal in combination with oil conversion- or refining processes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/16—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons
    • E21B43/24—Enhanced recovery methods for obtaining hydrocarbons using heat, e.g. steam injection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for obtaining carbonaceous substances, in particular bitumen, from oil sands.
  • Oil sands are a mixture of rock, clay, sand, water and bitumen or other heavy oils.
  • bitumen or other heavy oils.
  • Oil sands occurrences if they lie in shallow layers of earth, are preferentially mined in the open pit. In many cases, however, oil sands are located in deeper layers of the earth, which are not accessible to open-pit mining or whose mining would be unprofitable in open-pit mining. Typically, oil sands deposits are mined from depths of about 60m with so-called in situ method. Since in these methods, the degradation of the top layer, which is above the oil sands occurrence, is not necessary.
  • SAGD Steam Assisted Gravity Drainage
  • the apparatus for the sawing process comprises at least one injection pipe for feeding the hot steam into the deposit and a production pipeline through which the liquid bitumen from the deposit can be conveyed to the surface of the earth.
  • the injection pipeline and the production pipeline are laid essentially parallel to one another and horizontally one above the other within the deposit.
  • the injection pipe and the production pipe usually have a distance of about 5m to 10m in the vertical direction to each other. In the horizontal direction, the pipes extend within the deposit on a length of several 100m and a few kilometers.
  • the injection tubing is typically above the production tubing.
  • the bitumen Due to the heating and the reduction of the viscosity of the bitumen, the bitumen flows downwards due to gravity and thus to the production pipeline, where it can be pumped off in a simple manner and conveyed to the earth's surface.
  • the production can be achieved either with lifting oil pumps or by introducing an overpressure in the deposit.
  • the introduction of overpressure has the significant disadvantage that it may come in the vicinity of the deposit to the ground surface (blowout).
  • the vapor pressure before introduction into the deposit is reduced by means of a throttle or a throttle valve to a pressure which is lower than the rock pressure in the region of the deposit.
  • the throttle valve is arranged between the steam generator and the injection pipeline. Since the vapor pressure is dissipated unused in the throttle valve, the process is not very effective.
  • the US 6,988,549 discloses an apparatus for recovering carbonaceous substances, which comprises two separate circuits, a gas cycle and a steam cycle.
  • the two circuits are connected to each other via the gas turbine.
  • EMGD Electro Magnetic Gravity Drainage
  • the heating of the deposit takes place by means of an electric / electromagnetic heating process, in which, in particular, an inductive heating takes place.
  • the EMGD method is in the German patent application 10 2007 040605.5 entitled “Applicant's in situ production of bitumen or heavy oil”. Also, the EMGD method is associated with a large amount of energy.
  • Object of the present invention is therefore to further develop the known in situ method such that the efficiency of the device is increased.
  • bitumen-water emulsion In addition to the high energy requirement, the preparation of the bitumen-water emulsion also causes problems. During the treatment, it can not be ensured that the water is completely separated from the bitumen. Rather, it must be expected that residues of bitumen remain in the water and thus later in the vapor. These cause considerable problems when using a steam turbine, since it can lead to contamination within the steam turbine and thus to a changed operating behavior of the steam turbine. In addition, the carbonaceous substances can attack the material of the steam turbine, so that higher quality and therefore more expensive materials for the steam turbine must be used.
  • the second steam circuit serves to generate steam, which can be passed through the injection pipes in the reservoir of oil sands.
  • the steam heats the deposit and thus the oil sands, causing the long-chain hydrocarbons to split.
  • the viscosity of the bitumen is reduced, making the bitumen flowable becomes.
  • the flowable bitumen sinks due to gravity down and can then be promoted as bitumen-water emulsion to light.
  • simple lifting oil pumps are.
  • the bitumen-water emulsion can then be processed in a corresponding treatment plant, wherein the water of the bitumen-water emulsion can be fed via a corresponding return lines to the second steam cycle.
  • the inventive design of the apparatus for recovering carbonaceous substances from oil sands with two separate steam cycles thus provides a cycle of "clean" steam which is used to power the steam turbine and an open circuit of "contaminated” steam to heat up the oil sands deposits.
  • the additional electrical / electromagnetic heating results in a particularly rapid and good heating of the oil sands deposit, whereby a particularly good splitting of the long-chain hydrocarbons takes place and a rapid reduction in viscosity is made possible. As a result, the deposit can be optimally degraded. Due to the fact that the first generator sits directly on the drive side of the steam turbine, the electric current is used without great losses for electrical / electromagnetic heating, resulting in a high efficiency of the device according to the invention.
  • a further embodiment of the invention provides that the device has at least one heat engine, in particular a gas turbine, which is the output side connected to a second generator for generating electricity and the electric current, which is generated by the second generator, for simultaneous or alternative heating of the oil sands by means of the electric / electromagnetic heating is used.
  • the electrical / electromagnetic heating can be made correspondingly more efficient and adapted to the existing oil sands occurrence.
  • the electrical / electromagnetic heating can preferably be operated exclusively by the heat engine, exclusively by the steam turbine or both by the steam turbine and the heat engine or their connected generators.
  • the generators can additionally supply power for ancillaries or feed electricity into an electrical grid.
  • a further embodiment of the invention provides that the steam generation takes place in the first steam cycle by means of a second heat exchanger, wherein the hot exhaust gas of the heat engine is used to generate steam in the first steam cycle.
  • the efficiency of the device according to the invention can be increased.
  • the heat dissipation is preferably carried out in a heat exchanger, wherein the exhaust gas flows through the heat exchanger in countercurrent to the water / steam of the first steam cycle.
  • the carbonaceous substance in particular bitumen
  • the carbonaceous substance is removed from the oil sand via a separate steam cycle from the oil sands deposit or from the oil sands deposits and does not come into connection with the steam cycle which serves to operate the steam turbine.
  • This is a "contaminated" steam cycle, which may contain components of bitumen and a “clean” closed steam cycle for operating the steam turbine before.
  • the two independent steam cycles ensure high reliability and reduce the cost of the steam turbine, as there is no contamination and thus the materials for the steam turbine can be of lower quality than those previously used.
  • FIG. 1 shows a schematic and simplified representation.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a device according to the invention for the production of carbonaceous substances, in particular bitumen from oil sands.
  • the oil sands are in deposits 14, in the ground. If the rock layer above the deposit 14 is not too large, the mining of the oil sands in the open pit. However, from a certain depth, generally greater than 60 m, the opencast mine is no longer economical, so that the in-situ methods described in the introduction to the description are used.
  • the device according to the invention for such an in situ method comprises at least two separate steam circuits 1, 5.
  • the first steam cycle 1 comprises at least a first steam generator 2 and a steam turbine 3 connected to the first steam generator 2, which has an intermediate steam removal 4.
  • the second steam cycle 5 comprises at least one second steam generator, in particular in the form of a first heat exchanger 7, an injection pipe 8, a production pipeline 9 and a water treatment plant 10.
  • the injection pipeline 8 and the production pipeline 9 usually run horizontally within the reservoir 14 (not shown in FIG FIG. 1 ).
  • the injection pipe 8 and the production pipeline 9 run parallel to each other and typically at a distance of about 5m to 10m from each other. In the horizontal direction, the tubes extend within the deposit 14 over a length of between several 100m and a few kilometers.
  • steam can be introduced into the deposit 14 and thus into the oil sands.
  • the hot steam splits the long-chain hydrocarbons and reduces bitumen viscosity.
  • the flowable bitumen sinks due to gravity down and can then be brought to light as a bitumen-water emulsion.
  • simple lifting oil pump 15 is suitable.
  • the bitumen-water emulsion can then be processed in a corresponding treatment plant 10 to crude oil.
  • the water of the bitumen-water emulsion is recovered in the treatment plant 10 and fed back to the second steam generator 6 via a corresponding return line 16.
  • the intermediate steam removal 4 of the first steam cycle 1 is in operative connection with the first heat exchanger 7 of the second steam cycle 5. This means that the hot steam is taken from the intermediate steam removal, and heat energy in the first heat exchanger 7 to the water / steam of the second steam cycle 5 and thereby provides for the evaporation of the water in the second steam cycle 5. In this case, there is no direct contact between the water / steam of the first steam cycle 1 and the water / steam of the second steam cycle 5.
  • the first steam cycle 1 is operated as a closed steam cycle. As a result, there may be no contamination of the water / steam in the first steam cycle 1. Contamination of the water / steam of the first steam circuit 1 with bitumen is thus excluded. As a result, the reliability of the device according to the invention over the devices described in the prior art increases significantly. In addition, the steam turbine and associated ancillary equipment and lines can be made of simpler materials, which can reduce the cost of the steam turbine.
  • the steam turbine 3 is connected on the output side with a first generator G1.
  • the generator G1 generates electric power which directly serves to operate an electric / electromagnetic heater 11.
  • the electric / electromagnetic heater 11 also serves to heat the oil sands deposit.
  • the electric / electromagnetic heater 11 is installed in the deposit in addition to the injection and production piping. Due to the additional electrical / electromagnetic heating 11 is a achieved particularly good warming of the deposit. As a result, a good splitting of the long-chain hydrocarbons and a strong reduction in the viscosity of the bitumen is achieved, whereby the deposit can be broken down very well.
  • the apparatus further comprises a heat engine in the form of a gas turbine 12 which is connected on the output side with a second generator G2.
  • the generator G2 also generates electric power that can be used to operate the electric / electromagnetic heater 11.
  • a circuit is provided which makes it possible to operate the electric / electromagnetic heater 11 either exclusively via the steam turbine 3, exclusively via the gas turbine 12 or simultaneously via the gas turbine 12 and the steam turbine 3 or their generators.
  • the gas turbine 12 can be designed accordingly.
  • the unneeded electrical energy generated by the generators G1 and G2 may be used in addition to operating ancillary and ancillary equipment of the plant or may be fed into an electrical grid.
  • the heat exchanger 13 is supplied by the hot exhaust gas of the heat engine 12 and the hot exhaust gas passes through the second heat exchanger 13 in countercurrent to the water / steam of the first steam circuit 1.
  • the second heat exchanger 13th can also be heated with a firing boiler or similar.
  • the steam flows through the first heat exchanger 7 in countercurrent to the water / steam of the second steam cycle 5 and thereby transfers some of the heat to the water / steam of the second steam cycle 5.
  • 5 steam is generated in the first heat exchanger 7 of the second steam cycle, which is introduced via the injection pipe 8 in the oil sand.
  • the hot steam heats the oil sands and splits the long-chain hydrocarbons of the carbonaceous substances and reduces the viscosity.
  • the bitumen-water emulsion sinks.
  • the bitumen-water emulsion can be removed and fed to a treatment plant 10.
  • a simple lifting oil pump 15 is used.
  • the bitumen is separated from the water.
  • the bitumen can then be processed into crude oil.
  • the water separated from the bitumen is again supplied to the first heat exchanger 7 and evaporated. Water lost in the process will be replaced.
  • the device according to the invention is characterized by two separate steam circuits, wherein a first steam cycle is present as a closed steam cycle and within the closed steam cycle the steam turbine is operated.
  • the first, closed, steam cycle does not communicate with the carbonaceous substances, so that contamination of the first steam cycle and thus contamination of the steam turbine can not occur.
  • the reliability of the steam turbine is increased and it can be dispensed with the use of high quality materials which results in a cost reduction.
  • the recovery of the carbonaceous substances from the oil sands takes place in a second open steam cycle. In this cycle it does not matter much if bitumen residues are in the vapor.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, insbesondere Bitumen, aus Ölsand.
  • Große Teile der weltweiten Ölreserven liegen in Form von Ölsand vor. Unter Ölsand versteht man eine Mischung aus Gestein, Ton, Sand, Wasser und Bitumen oder anderer Schwerölen. Nachfolgend soll stellvertretend für Schwer-, Schwerstöle oder allgemein langkettige Kohlenwasserstoffe lediglich von Bitumen gesprochen werden, welche typischerweise mit einer Viskosität von API 5° bis 15° lagerstättenmäßig vorkommen. Durch entsprechende Verfahrenschritte kann das Bitumen in synthetisches Rohöl umgewandelt werden.
  • Ölsandvorkommen werden, wenn sie in Erdschichten geringer Tiefe liegen bevorzugt im Tagebau abgebaut. Vielfach liegen Ölsandvorkommen aber in tieferen Erdschichten, die dem Tagebau nicht zugänglich sind bzw. deren Abbau im Tagebau unwirtschaftlich wäre. Typischerweise werden Ölsandvorkommen ab Tiefen von etwa 60m mit sogenannten In-Situ-Verfahren abgebaut. Da bei diesen Verfahren der Abbau der Deckschicht, welche über dem Ölsandvorkommen liegt, nicht notwendig ist.
  • Das am weitverbreitete In-Situ-Verfahren ist das Steam Assisted Gravity Drainage (SAGD). Beim SAGD-Verfahren wird das im Erdreich in einer Lagerstätte vorliegende Bitumen durch Heißdampf erhitzt. Durch die Hitzeinwirkung werden die langkettigen Kohlenwasserstoffe des hochviskosen Bitumens aufgespaltet. Die Erwärmung des Ölsandes führen zu einer Verringerung der Viskosität des Bitumens, welches dadurch fließfähig wird und konventionell aus der Lagerstätte abgepumpt werden kann.
  • Die Vorrichtung für das SAGD-Verfahren umfasst mindestens eine Injektionsrohrleitung zum Zuführen des heißen Dampfes in die Lagerstätte und eine Produktionsrohrleitung, durch welche das flüssige Bitumen aus der Lagerstätte an die Erdoberfläche gefördert werden kann. Die Injektionsrohrleitung sowie die Produktionsrohrleitung werden im Wesentlichen parallel zueinander und horizontal übereinander verlaufend innerhalb der Lagerstätte verlegt. Die Injektionsrohrleitung und die Produktionsrohrleitung weisen üblicherweise einen Abstand von etwa 5m bis 10m in vertikaler Richtung zueinander auf. In horizontaler Richtung erstrecken sich die Rohre innerhalb der Lagerstätte auf einer Länge zwischen mehreren 100m und wenigen Kilometern. Die Injektionsrohrleitung befindet sich typischerweise oberhalb der Produktionsrohrleitung. Durch die Erwärmung und die Herabsetzung der Viskosität des Bitumens fließt das Bitumen aufgrund der Schwerkraft nach unten und damit zur Produktionsrohrleitung hin und kann dort auf einfache Weise abgepumpt und an die Erdoberfläche gefördert werden. Die Förderung kann entweder mit Anhebeölpumpen oder durch Einbringen eines Überdrucks in der Lagerstätte erzielt werden. Die Einbringung von Überdruck hat jedoch den wesentlichen Nachteil, dass es in der Umgebung der Lagerstätte zu Verwerfung an der Erdoberfläche (Blowout) kommen kann. Insbesondere dann, wenn die Erdschicht oberhalb der Lagerstätte von geringer Dicke ist. Aus diesem Grund wird üblicherweise der Dampfdruck vor Einleitung in die Lagerstätte mittels einer Drossel oder eines Drosselventils auf einen Druck reduziert, welcher geringer ist als der Gesteinsdruck im Bereich der Lagerstätte. Das Drosselventil ist dabei zwischen dem Dampferzeuger und der Injektionsrohrleitung angeordnet. Da der Dampfdruck ungenutzt im Drosselventil abgebaut wird, ist das Verfahren wenig effektiv.
  • Aus diesem Grund wird in der nicht vor vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2012 000092.8 mit dem Titel "Vorrichtung und Verfahren zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen aus Ölsanden" der Anmelderin vorgeschlagen, zwischen dem Dampferzeuger und der Injektionsrohrleitung wenigstens eine Dampfturbine anzuordnen. Durch die Anordnung der Dampfturbinen zwischen dem Dampferzeuger und der Injektionsrohrleitung kann der Druckabbau, welcher üblicherweise ungenutzt über das Drosselventil erfolgt, zur Energierückgewinnung benutzt werden. Hierzu ist die Dampfturbine vorzugsweise an einen Generator zur Stromerzeugung angeschlossen.
  • Die US 6 988 549 offenbart eine Vorrichtung zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, welcher zwei voneinander getrennte Kreisläufe, einen Gaskreislauf und einen Dampkreislauf, umfasst. Die beiden Kreisläufe sind über die Gasturbine miteinander verbunden.
  • Ein weiteres gebräuchliches In-Situ-Verfahren ist das Elektro Magnetic Gravity Drainage (EMGD). Beim EMGD-Verfahren erfolgt die Erwärmung der Lagerstätte mit einem elektrischen/elektromagnetischen Heizverfahren, bei dem insbesondere eine induktive Beheizung erfolgt. Das EMGD-Verfahren ist in der deutschen Patentanmeldung 10 2007 040605.5 mit dem Titel "Vorrichtung zur In-Situ-Förderung von Bitumen oder Schweröl" der Anmelderin offenbart. Auch das EMGD-Verfahren ist mit einem großen Energieaufwand verbunden.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 5 gelöst.
  • Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bekannten In-Situ-Verfahren derart weiterzubilden, dass der Wirkungsgrad der Vorrichtung gesteigert wird. Gleichzeitig ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen aufzuzeigen.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 5 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Neben dem hohen Energiebedarf bereitet auch die Aufbereitung der Bitumen-Wasser-Emulsion Probleme. Bei der Aufbereitung kann nicht sichergestellt werden, dass das Wasser vollständig vom Bitumen getrennt wird. Vielmehr muss damit gerechnet werden, dass Rückstände vom Bitumen im Wasser und damit später im Dampf verbleiben. Diese bereiten bei Verwendung einer Dampfturbine erhebliche Probleme, da es zu Verschmutzungen innerhalb der Dampfturbine und damit zu einem geänderten Betriebsverhalten der Dampfturbine kommen kann. Außerdem können die kohlenstoffhaltigen Substanzen das Material der Dampfturbine angreifen, so dass höherwertige und damit teuere Werkstoffe für die Dampfturbine eingesetzt werden müssen.
  • Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Problem, ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, insbesondere Bitumen, aus Ölsanden bereitzustellen, die die zuvor beschriebenen Nachteile vermeidet und die einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
  • Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, insbesondere Bitumen, aus Ölsanden, mittels einer solchen Vorrichtung bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 5 gelöst.
  • Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, insbesondere Bitumen aus Ölsanden, umfasst wenigstens zwei getrennte Dampfkreisläufe, wobei:
    • der erste Dampfkreislauf wenigstens einen ersten Dampferzeuger und eine mit dem ersten Dampferzeuger verbundene Dampfturbine mit Zwischendampfentnahme umfasst;
    • der zweite Dampfkreislauf wenigstens einen zweiten Dampferzeuger insbesondere in Form eines ersten Wärmetauschers, eine Injektionsrohrleitung, eine Produktionsrohrleitung und eine Wasseraufbereitungsanlage umfasst, wobei über die Injektionsrohrleitung Dampf in den Ölsand einleitbar ist, über die Produktionsleitung die kohlenstoffhaltigen Substanzen aus dem Ölsand abführbar und in der Wasseraufbereitungsanlage das Bitumen vom Wasser trennbar ist;
    • die Zwischendampfentnahme des ersten Dampfkreislaufs mit dem ersten Wärmetauscher des zweiten Dampfkreislaufs in Wirkverbindung steht.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung mit wenigstens zwei Dampfkreisläufen kann der Dampfkreislauf mit dem die Dampfturbine betrieben wird, als geschlossener Kreislauf betrieben werden, der nicht mit den kohlenstoffhaltigen Substanzen in Berührung kommt. Somit entstehen keine Verunreinigungen im ersten Dampfkreislauf und es muss nicht mit Verunreinigungen und Beschädigungen der Dampfturbine gerechnet werden. Hierdurch erhöht sich die Betriebssicherheit der Dampfturbine und es kann auf den Einsatz von teuren Spezialwerkstoffen, die unempfindlich gegen kohlenstoffhaltige Substanzen sind, verzichtet werden, wodurch sich die Kosten der Dampfturbine reduzieren lassen.
  • Der zweite Dampfkreislauf dient dazu Dampf zu erzeugen, welcher über die Injektionsrohrleitungen in die Lagerstätte der Ölsande geleitet werden kann. Der Dampf erwärmt die Lagerstätte und damit die Ölsande, wodurch es zum Aufspalten der langkettigen Kohlenwasserstoffe kommt. Zudem wird die Viskosität des Bitumens reduziert, wodurch das Bitumen fließfähig wird. Das fließfähige Bitumen sinkt dabei aufgrund er Schwerkraft nach unten und kann anschließend als Bitumen-Wasser-Emulsion zu Tage gefördert werden. Zur Förderung eignen sich beispielsweise einfache Anhebeölpumpen. Die Bitumen-Wasser-Emulsion kann anschließend in einer entsprechenden Aufbereitungsanlage aufbereitet werden, wobei das Wasser der Bitumen-Wasser-Emulsion über eine entsprechende Rückführleitungen dem zweiten Dampfkreislauf zugeführt werden kann. Bitumenrückstände im Dampf gelangen aufgrund des getrennten Dampfkreislaufes dabei nicht in die Dampfturbine und führen somit nicht zu Störungen der Dampfturbine. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen aus Ölsanden mit zwei getrennten Dampfkreisläufen liegt somit ein Kreislauf mit "sauberem" Dampf vor, welcher zum Betreiben der Dampfturbine dient, und ein offener Kreislauf mit "verunreinigtem" Dampf zum Aufheizen der Ölsandlagerstätten vor.
  • Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der die Dampfturbine abtriebsseitig mit einem ersten Generator zur Stromerzeugung verbunden ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung eine elektrische/elektromagnetische Heizung zum Beheizen der Ölsande umfasst, die mit elektrischem Strom, welcher mittels des ersten Generators erzeugt wird, betreibbar ist. Durch die zusätzliche elektrische/ elektromagnetische Heizung ergibt sich eine besonders schnelle und gute Aufheizung der Ölsandlagerstätte, wodurch eine besonders gute Aufspaltung der langkettigen Kohlenwasserstoffe erfolgen und eine rasche Viskositätsherabsetzung ermöglicht wird. Hierdurch kann die Lagerstätte optimal abgebaut werden. Dadurch, dass der erste Generator unmittelbar auf der Antriebsseite der Dampfturbine sitzt, wird der elektrische Strom ohne große Verluste zur elektrischen/elektromagnetischen beheizung eingesetzt, wodurch sich ein hoher Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung wenigstens eine Wärmekraftmaschine, insbesondere eine Gasturbine umfasst, die abtriebsseitig mit einem zweiten Generator zur Stromerzeugung verbunden ist und das der elektrische Strom, welcher mittels des zweiten Generators erzeugt wird, zum gleichzeitigen oder alternativen Beheizen der Ölsande mittels der elektrischen/elektromagnetischen Heizung verwendbar ist. Durch die Verwendung einer Wärmekraftmaschine zur Erzeugung zusätzlichen elektrischen Stroms kann die elektrische/elektromagnetische Heizung entsprechend leistungsfähiger ausgebildet und an die vorhandenen Ölsandvorkommen angepasst werden. Mittels einer geeigneten Schaltung kann die elektrische/elektromagnetische Heizung vorzugsweise ausschließlich durch die Wärmekraftmaschine, ausschließlich durch die Dampfturbine oder sowohl durch die Dampfturbine als auch die Wärmekraftmaschine bzw. deren angeschlossenen Generatoren betrieben werden. Je nach erzeugter elektrischer Leistung und der benötigten elektrischen Leistung der elektrischen/elektromagnetischen Heizung können die Generatoren zusätzlich Strom für Nebenaggregate liefern bzw. Strom in ein elektrisches Netz einspeisen.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Dampferzeugung im ersten Dampfkreislauf mittels eines zweiten Wärmetauschers erfolgt, wobei das heiße Abgas der Wärmekraftmaschine zur Dampferzeugung im ersten Dampfkreislauf genutzt wird. Durch die Nutzung der Abwärme des Abgases der Wärmekraftmaschine kann der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung gesteigert werden. Die Wärmeabgabe erfolgt dabei vorzugsweise in einem Wärmetauscher, wobei das Abgas den Wärmetauscher im Gegenstrom zum Wasser/Dampf des ersten Dampfkreislaufes durchströmt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, insbesondere Bitumen aus Ölsanden, mittels einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
    • Erzeugung von Dampf in einem ersten Dampferzeuger des ersten Dampfkreislaufs;
    • Zuführen des Dampfes zur Dampfturbine;
    • Entspannen eines ersten Teils des Dampfes auf einen ersten Druck und zuführen des ersten kondensierten Teil des Dampfes zum ersten Dampferzeuger;
    • Entnahme eines zweiten Teils des Dampfes an der Zwischendampfentnahme der Dampfturbine und rückführen des zweiten Teil des Dampfes über den ersten Wärmetauscher des zweiten Dampfkreislaufes zum ersten Dampferzeuger;
    • Erzeugen von Dampf im ersten Wärmetauscher des zweiten Dampfkreislaufs;
    • Einleiten des Dampfes des zweiten Dampfkreislaufes über die Injektionsrohrleitung in den Ölsand;
    • Erwärmen des Ölsandes mittels des Dampfes des zweiten Dampfkreislaufes und Aufspalten der langkettigen Kohlenwasserstoffe der kohlenstoffhaltigen Substanzen;
    • Abführen der kohlenstoffhaltigen Substanzen über die Produktionsrohrleitung;
    • Zuführen der kohlenstoffhaltigen Substanzen zur Aufbereitungsanlage und abtrennen des Wassers vom Bitumen;
    • Zuführen des abgetrennten Wassers zum ersten Wärmetauscher des zweiten Dampfkreislaufs.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die kohlenstoffhaltige Substanz insbesondere Bitumen aus dem Ölsand über einen separaten Dampfkreislauf aus dem Ölsandvorkommen bzw. der Ölsandlagerstätten abgebaut und kommt dabei nicht mit dem Dampfkreislauf in Verbindung, welcher zum Betreiben der Dampfturbine dient. Hierdurch liegt ein "verunreinigter" Dampfkreislauf, welcher Bestandteile von Bitumen enthalten kann und ein "sauberer" geschlossener Dampfkreislauf zum Betreiben der Dampfturbine vor. Die beiden voneinander unabhängigen Dampfkreisläufe sorgen für eine hohe Betriebssicherheit und reduzieren die Kosten für die Dampfturbine, da keine Verunreinigung auftreten und damit die Werkstoffe für die Dampfturbine von geringerer Qualität sein können, als die bislang verwendeten.
  • Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend in Figur 1 beschrieben. Die Figur zeigt eine schematische und vereinfachte Darstellung.
  • Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, insbesondere Bitumen aus Ölsanden. Die Ölsande befinden sich in Lagerstätten 14, im Erdreich. Wenn die Gesteinsschicht über der Lagerstätte 14 nicht zu groß ist, erfolgt der Abbau der Ölsande im Tagebau. Ab einer bestimmten Tiefe in der Regel größer 60m ist der Tagebau allerdings nicht mehr wirtschaftlich, so dass die in der Beschreibungseinleitung beschriebenen In-Situ-Verfahren zum Einsatz gelangen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung für ein solches In-Situ-Verfahren umfasst wenigstens zwei getrennte Dampfkreisläufe 1, 5. Der erste Dampfkreislauf 1 umfasst dabei wenigstens einen ersten Dampferzeuger 2 und eine mit dem ersten Dampferzeuger 2 verbundene Dampfturbine 3, welche über eine Zwischendampfentnahme 4 verfügt. Der zweite Dampfkreislauf 5 umfasst wenigstens einen zweiten Dampferzeuger insbesondere in Form eines ersten Wärmetauschers 7, eine Injektionsrohrleitung 8, ein Produktionsrohrleitung 9 und eine Wasseraufbereitungsanlage 10. Die Injektionsrohrleitung 8 und die Produktionsrohrleitung 9 verlaufen üblicherweise horizontal innerhalb der Lagerstätte 14 (nicht dargestellt in Figur 1). Die Injektionsrohrleitung 8 und die Produktionsrohrleitung 9 verlaufen dabei parallel und typischerweise in einem Abstand von ca. 5m bis 10m zueinander. In horizontaler Richtung erstrecken sich die Rohre innerhalb der Lagerstätte 14 über eine Länge zwischen mehrere 100m und wenigen Kilometern. Über die Injektionsrohrleitung 8 kann Dampf in die Lagerstätte 14 und damit in den Ölsand eingeleitet werden. Der heiße Dampf sorgt für eine Aufspaltung der langkettigen Kohlenwasserstoffe und für eine Reduzierung der Viskosität des Bitumen. Durch die Aufspaltung der langkettigen Kohlenwasserstoffe des hochviskosen Bitumens und durch die Verringerung der Viskosität, wird das Bitumen fließfähig. Das fließfähige Bitumen sinkt dabei aufgrund der Schwerkraft nach unten und kann anschließend als Bitumen-Wasser-Emulsion zu Tage gefördert werden. Zur Förderung eignet sich beispielsweise einfache Anhebeölpumpen 15.
  • Die Bitumen-Wasser-Emulsion kann anschließend in einer entsprechenden Aufbereitungsanlage 10 zu Rohöl verarbeitet werden. Das Wasser der Bitumen-Wasser-Emulsion wird in der Aufbereitungsanlage 10 zurück gewonnen und über eine entsprechende Rückfuhrleitung 16 erneut dem zweiten Dampferzeuger 6 zugeführt. Die Zwischendampfentnahme 4 des ersten Dampfkreislaufes 1 steht mit dem ersten Wärmetauscher 7 des zweiten Dampfkreislaufes 5 in Wirkverbindung. Dies bedeutet, dass der heiße Dampf der Zwischendampfentnahme entnommen wird, und Wärmeenergie im ersten Wärmetauscher 7 an das Wasser/Dampf des zweiten Dampfkreislaufs 5 abgibt und dadurch für die Verdampfung des Wassers im zweiten Dampfkreislauf 5 sorgt. Hierbei kommt es zu keinem direkten Kontakt zwischen dem Wasser/Dampf des ersten Dampfkreislaufes 1 und des Wasser/Dampf des zweiten Dampfkreislaufes 5. Der erste Dampfkreislauf 1 wird als geschlossener Dampfkreislauf betrieben. Hierdurch kann es zu keiner Verunreinigung des Wasser/Dampfes im ersten Dampfkreislauf 1 kommen. Eine Verunreinigung des Wasser/Dampfes des ersten Dampfkreislaufes 1 mit Bitumen wird somit ausgeschlossen. Hierdurch nimmt die Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber den im Stand der Technik beschriebenen Vorrichtungen deutlich zu. Zudem kann die Dampfturbine und die zugehörigen Nebenaggregate und Leitungen aus einfacheren Materialen hergestellt werden, wodurch sich die Kosten für die Dampfturbine reduzieren lassen. Die Dampfturbine 3 ist abtriebsseitig mit einem ersten Generator G1 verbunden. Der Generator G1 erzeugt elektrischen Strom, welcher unmittelbar zum Betreiben einer elektrischen/elektromagnetischen Heizung 11 dient. Die elektrische/elektromagnetische Heizung 11 dient ebenfalls zum Beheizen der Ölsandlagerstätte. Die elektrische/elektromagnetische Heizung 11 ist zusätzlich zu den Injektion- und Produktionsrohrleitungen in der Lagerstätte eingebracht. Durch die zusätzliche elektrische/elektromagnetische Heizung 11 wird eine besonders gute Erwärmung der Lagerstätte erreicht. Hierdurch wird eine gute Aufspaltung der langkettigen Kohlenwasserstoffe und eine starke Erniedrigung der Viskosität des Bitumen erreicht, wodurch die Lagerstätte sehr gut abgebaut werden kann.
  • Die Vorrichtung umfasst des Weiteren eine Wärmekraftmaschine in Form einer Gasturbine 12 die abtriebsseitig mit einem zweiten Generator G2 verbunden ist. Der Generator G2 erzeugt ebenfalls elektrischen Strom, der zum Betreiben der elektrischen/elektromagnetischen Heizung 11 verwendet werden kann. Vorzugsweise ist eine Schaltung vorgesehen, die es ermöglicht, die elektrische/elektromagnetische Heizung 11 entweder ausschließlich über die Dampfturbine 3, ausschließlich über die Gasturbine 12 oder gleichzeitig über die Gasturbine 12 und die Dampfturbine 3 bzw. deren Generatoren zu betreiben. Je nach benötigter elektrischer Leistung kann die Gasturbine 12 entsprechend ausgelegt werden.
    Die nicht benötigte elektrische Energie, welcher von den Generatoren G1 und G2 erzeugt wird, kann zusätzlich zum Betreiben von Zusatz- und Nebenaggregaten der Anlage verwendet werden oder in ein elektrisches Netz eingespeist werden.
  • Die Dampferzeugung im ersten Dampfkreislauf erfolgt im Ausführungsbeispiel mittels eines zweiten Wärmetauschers 13. Der Wärmetauscher 13 wird vom heißen Abgas der Wärmekraftmaschine 12 gespeist und das heiße Abgas durchläuft dabei den zweiten Wärmetauscher 13 im Gegenstrom zum Wasser/Dampf des ersten Dampfkreislaufes 1. Der zweite Wärmetauscher 13 kann zusätzlich mit einen Feuerungskessel oder ähnliches beheizt werden.
  • Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, insbesondere Bitumen aus Ölsanden, mittels der zuvor beschriebenen Vorrichtung kurz erläutert. Zunächst wird im ersten Dampfkreislauf 1 im ersten Dampferzeuger 2 Dampf erzeugt und der Dampfturbine 3 zugeführt. Ein erster Teil des Dampfes wird in der Dampfturbine 3 weitgehend vollständig entspannt und anschließend in einen zusätzlichen Kondensator 16 kondensiert und über zusätzliche Pumpen 17, 18 und einer Entgas-/Entlüftungsungsvorrichtung 19 dem ersten Dampferzeuger 2 zugeführt. Ein zweiter Teil des Dampfes wird der Dampfturbine 3 an der Zwischendampfentnahme 4 entnommen. Der Dampf der der Zwischendampfentnahme 4 entnommen wird und welcher eine höhere Temperatur aufweist, wird über einen ersten Wärmetauscher 7 des zweiten Dampfkreislaufes 5 zum ersten Dampferzeuger 2 des ersten Dampfkreislaufes 1 zurückgeführt. Der Dampf durchströmt dabei den ersten Wärmetauscher 7 im Gegenstrom zum Wasser/Dampf des zweiten Dampfkreislaufes 5 und gibt dabei ein Teil der Wärme an das Wasser/Dampf des zweiten Dampfkreislaufes 5 ab. Hierdurch wird im ersten Wärmetauscher 7 des zweiten Dampfkreislaufes 5 Dampf erzeugt, welches über den Injektionsrohrleitung 8 in den Ölsand eingeleitet wird. Der heiße Dampf erwärmt den Ölsand und sorgt für eine Aufspaltung der langkettigen Kohlenwasserstoffe der kohlenhaltigen Substanzen und führt zu einer Reduzierung der Viskosität. Hierdurch kommt es aufgrund der Schwerkraft zu einem Absinken der Bitumen-Wasser-Emulsion. Über die Produktionsrohrleitung 9 kann die Bitumen-Wasser-Emulsion abgeführt und einer Aufbereitungsanlage 10 zugeführt werden. Hierzu wird eine einfache Anhebeölpumpe 15 verwendet. In der Aufbereitungsanlage 10 wird das Bitumen vom Wasser getrennt. Das Bitumen kann anschließend zu Rohöl verarbeitet werden. Das vom Bitumen getrennte Wasser wird erneut dem ersten Wärmetauscher 7 zugeführt und verdampft. Wasser, welches im Prozess verloren geht, wird ersetzt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch zwei getrennte Dampfkreisläufe aus, wobei ein erster Dampfkreislauf als geschlossener Dampfkreislauf vorliegt und innerhalb des geschlossenen Dampfkreislaufs die Dampfturbine betrieben wird. Der erste, geschlossene, Dampfkreislauf kommt nicht mit den kohlenstoffhaltigen Substanzen in Verbindung, so dass es zu keiner Verunreinigung des ersten Dampfkreislaufes und damit zur Verunreinigung der Dampfturbine kommen kann. Hierdurch wird die Betriebssicherheit der Dampfturbine erhöht und es kann auf den Einsatz hochwertiger Materialien verzichtet werden, wodurch sich eine Kostenreduzierung ergibt. Die Gewinnung der kohlenstoffhaltigen Substanzen aus den Ölsanden erfolgt in einem zweiten offenen Dampfkreislauf. In diesem Kreislauf spielt es keine große Rolle, wenn Rückstände vom Bitumen sich im Dampf befinden.

Claims (5)

  1. Vorrichtung zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, insbesondere Bitumen, aus Ölsanden, umfassend wenigstens zwei Dampfkreisläufe,
    dadurch gekennzeichnet dass,
    die wenigstens zwei Dampfkreisläufe voneinander getrennt sind, wobei:
    - der erste Dampfkreislauf (1) wenigstens einen ersten Dampferzeuger (2) und eine mit dem ersten Dampferzeuger (2) verbundene Dampfturbine (3) mit Zwischendampfentnahme (4) umfasst;
    - der zweite Dampfkreislauf (5) wenigstens einen zweiten Dampferzeuger, (6) insbesondere in Form eines ersten Wärmetauscher (7), eine Injektionsrohrleitung (8), eine Produktionsrohrleitung (9) und eine Wasseraufbereitungsanlage (10) umfasst, wobei über die Injektionsrohrleitung (8) Dampf in den Ölsand einleitbar ist, über die Produktionsleitung (9) die kohlenstoffhaltigen Substanzen aus dem Ölsand abführbar sind und in der Wasseraufbereitungsanlage (10) das Bitumen vom Wasser trennbar ist;
    - die Zwischendampfentnahme (4) des ersten Dampfkreislaufs (1) mit dem ersten Wärmetauscher (7) des zweiten Dampfkreislaufs (5) in Wirkverbindung steht.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Dampfturbine (3) abtriebsseitig mit einem ersten Generator (G1) zur Stromerzeugung verbunden ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorrichtung eine elektrische/elektromagnetische Heizung (11) zum Beheizen der Ölsande umfasst, die mit elektrischem Strom, welcher mittels des ersten Generators (G1) erzeugt wird, betreibbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine Wärmekraftmaschine (12), insbesondere eine Gasturbine, umfasst, die abtriebsseitig mit einem zweiten Generator (G2) zur Stromerzeugung verbunden ist
    und dass der elektrische Strom welcher mittels des zweiten Generators (G2) erzeugt wird, zum gleichzeitigen oder alternativen Beheizen der Ölsande mittels der elektrischen/elektromagnetischen Heizung (11) verwendbar ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Dampferzeugung im ersten Dampfkreislauf (1) mittels eines zweiten Wärmetauschers (13) erfolgt, wobei das heiße Abgas der Wärmekraftmaschine (12) zur Dampferzeugung im ersten Dampfkreislauf (1) genutzt wird.
  5. Verfahren zur Gewinnung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, insbesondere Bitumen, aus Ölsanden mittels einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
    - Erzeugen von Dampf im ersten Dampferzeuger (2) des ersten Dampfkreislaufs (1);
    - Zuführen des Dampfes zur Dampfturbine (3);
    - Entspannen eines ersten Teils des Dampfes auf einen ersten Druck und zurückführen des kondensierten ersten Teil des Dampfes zum ersten Dampferzeuger (2)
    - Entnahme eines zweiten Teils des Dampfes an der Zwischendampfentnahme (4) der Dampfturbine (3) und Rückführen des zweiten Teil des Dampfes über den ersten Wärmetauscher (7) des zweiten Dampfkreislaufs (5) zum ersten Dampferzeuger (2);
    - Erzeugen von Dampf im ersten Wärmetauscher (7) des zweiten Dampfkreislaufs (5);
    - Einleiten des Dampfes des zweiten Dampfkreislaufs (5) über die Injektionsrohrleitung (8) in den Ölsand;
    - Erwärmen des Ölsandes mittels des Dampfes des zweiten Dampfkreislaufs (5) und Aufspalten der langkettigen Kohlenwasserstoffe der kohlenstoffhaltigen Substanzen;
    - Abführen der kohlenstoffhaltigen Substanzen über die Produktionsrohrleitung (9);
    - Zuführen der kohlenstoffhaltigen Substanzen zur Aufbereitungsanlage (10) und Abtrennen des Wasser vom Bitumen;
    - Zuführen des abgetrennten Wassers zum ersten Wärmetauscher (7) des zweiten Dampfkreislaufs (5).
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