ES2929993T3 - Proceso para tratar agua salada producida en pozos de petróleo y gas - Google Patents

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Abstract

Un proceso integrado que elimina simultáneamente el agua y las sales precipitadas del agua salada producida por pozos de petróleo y gas, lo que reduce o elimina los costos y los problemas ambientales asociados con la eliminación de aguas residuales, al tiempo que agrega ingresos a través de la producción eléctrica y otros coproductos. La adición de un motor de cero emisiones también convertirá el gas natural de boca de pozo en energía eléctrica y térmica neutra en carbono y libre de emisiones, además de facilitar productos adicionales que reducirán aún más el costo de procesamiento del agua salada. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso para tratar agua salada producida en pozos de petróleo y gas
Antecedentes
Esto se refiere al tratamiento para el desecho o reciclaje del agua producida a partir de pozos de petróleo y gas, ya sea después de operaciones de fracturación o durante la producción normal de agua de la formación.
El agua salada se produce a partir de pozos de petróleo y gas como resultado de la inyección de agua en la formación durante las operaciones de fracturación hidráulica o como resultado del contenido de agua natural de la formación. A medida que se produce petróleo o gas, esta agua acompaña a estos productos a la superficie y se debe separar y desechar. Los métodos comunes de desecho son la recolección y reinyección en la misma u otra formación profunda. La inyección de agua profunda que está vinculada a terremotos, y se requieren métodos de desecho alternativos.
Otros métodos de desecho utilizan el tratamiento en el sitio para eliminación de sal por evaporación o filtración para reducir el volumen y el agua concentrada inyectada o transportada a una instalación de desecho o retención. Estos métodos consumen mucha energía y no abordan el problema de la eliminación de los productos de desecho. Parte del agua de fracturación hidráulica se ha transportado en camiones a instalaciones regionales de tratamiento comercial que diluyen el agua salada y la descargan en masas de agua superficiales. Esto ha llevado a la contaminación del agua dulce en algunas zonas del país. US 9,221,694 divulga una modificación de escala selectiva en sistemas de tratamiento de agua en los que se realiza desalinización. En particular, la ubicación de la formación de incrustaciones sólidas dentro de un sistema de tratamiento de agua se controla mediante el ajuste de uno o más parámetros del sistema, tal como la temperatura y/o velocidad de flujo de una corriente de solución salina dentro del sistema de tratamiento de agua.
Se requiere una solución que reduzca las cantidades de agua que se inyectan y mantenga el costo de una eliminación al mínimo y no cree un problema adicional de desecho de residuos en alguna otra área. A medida que bajen los precios del petróleo crudo, algunos pozos tendrán que detener la producción si no se dispone de soluciones rentables.
Algunos pozos producen gas natural que se debe quemar porque no hay una infraestructura para llevar el gas al mercado. Estos pozos son los candidatos más probables para una tecnología que reduce el volumen de agua utilizando gas de boca de pozo como fuente de energía.
Breve descripción de la invención
La presente invención satisface las necesidades y mitiga los problemas analizados anteriormente. Se proporciona un proceso integrado que elimina simultáneamente el agua y las sales precipitadas del agua salada producida en pozos de petróleo y gas, reduciendo o eliminando así el costo y los problemas ambientales asociados con el desechos de aguas residuales, en tanto que se añaden opcionalmente ingresos a través de la producción eléctrica y otros coproductos. La invención emplea un nuevo motor de cero emisiones, (ZEE), que convierte el gas natural de boca de pozo en energía eléctrica y térmica sin emisiones de carbono, junto con la facilitación de productos adicionales que reducen aún más el costo del procesamiento de agua salada. Se establecen aspectos particulares y preferidos de la invención en las reivindicaciones dependientes e independientes.
De acuerdo con las técnicas descritas en la presente, se proporciona un método para reducir o eliminar agua salada que se genera como resultado de la producción de petróleo y gas, fracturación hidráulica u otros procesos.
En un ejemplo opcional del método descrito en la presente, el agua salada saturada se puede reducir a vapor de agua y sólidos secos usando un evaporador de película delgada donde el agua salada se alimenta a la parte superior de una torre y se permite que fluya hacia abajo a lo largo de la pared interna de una superficie de transferencia de calor en una película delgada desarrollada mediante palas giratorias que permiten que el agua se evapore y las sales se desplacen hasta la parte inferior de la torre con la ayuda de las palas giratorias, donde se recolecta para su venta o desecho y el vapor de agua se puede recuperar y vender como agua dulce.
En otro ejemplo opcional del método descrito en la presente, se puede añadir un proceso cloroalcalino que produce gas de cloro, hidróxidos y ácido clorhídrico al sistema de tratamiento de agua salada. La venta de estos elementos generaría ingresos adicionales para hacer que el proceso sea más rentable y ayudar en la eliminación de sales del agua salada. En la presente invención, se proporciona un motor de cero emisiones (ZEE). Cuando se utiliza en el método descrito anteriormente, el ZEE se puede utilizar para convertir el gas natural de boca de pozo en energía eléctrica y térmica sin emisiones de carbono. Los coproductos tal como argón y nitrógeno se pueden vender para generar ingresos adicionales, lo que hace que el proceso sea más rentable con poco o ningún impacto ambiental. El dióxido de carbono se puede usar para mejorar la separación de sal mediante la promoción de la formación de carbonatos de calcio, lo que da como resultado el secuestro mineral del dióxido de carbono. El dióxido de carbono también se puede secuestrar en formación profunda o vender para mejora de producción de petróleo u otro uso que genere ingresos adicionales que mejoren aún más la economía del sistema de tratamiento de agua salada.
En otro ejemplo opcional del método descrito en la presente, se puede añadir producción de amoníaco al sistema. Esto permite la utilización de los coproductos de hidrógeno y nitrógeno, mejorando aún más la economía del sistema de tratamiento de agua salada e incrementando el calor residual utilizado para evaporar el agua salada.
Otros ejemplos, características y ventajas de la presente invención serán evidentes para aquellos en la técnica tras examinar las figuras anexas y tras leer la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas.
Breve descripción de los dibujos
Algunas realizaciones se describen con respecto a las siguientes figuras.
La figura 1 es una representación esquemática de una realización no cubierta por la invención que utiliza gas de boca de pozo para reducir el volumen de agua producida por el pozo hasta en un 100%, utilizando un quemador de gas, enfriador de evaporación, torre de contacto de evaporación, tanques, bombas de circulación, intercambiadores de calor, sopladores de aire, estanque de evaporación y secadora de pulverización o evaporador de película delga para evaporar totalmente el agua dejando sales secas con una opción de recuperar agua dulce.
La figura 2 es una representación esquemática de la realización ilustrada en la figura 1 (realización no cubierta por la invención) con un ciclo de Rankine orgánico, ORC y generador eléctrico para alimentar el proceso cuando la energía eléctrica no está disponible o para generar ingresos adicionales de la venta de electricidad.
La figura 3 es una representación esquemática de la realización ilustrada en la figura 1 (realización no cubierta por la invención) con un motor de combustión interna y un generador eléctrico que proporciona el calor para el proceso y para generar ingresos adicionales de la venta de electricidad.
La figura 4 es una representación esquemática de la realización ilustrada en la figura 3 (realización no cubierta por la invención) con la adición de un sistema para producir ácido clorhídrico e hidróxidos como subproductos del tratamiento de agua para eliminar sales.
La figura 5 es una representación esquemática de la realización ilustrada en la figura 4 (realización no cubierta por la invención) con la adición de una unidad de cogeneración para incrementar la eficiencia de producción eléctrica.
La figura 6 es una representación esquemática de la realización ilustrada en la figura 5 con la adición de una unidad de separación de aire y una nueva unidad de producción de energía conceptual, motor de cero emisiones (ZEE), sin compresor para reducir o eliminar las emisiones en tanto que se maximiza la producción de energía eléctrica.
La figura 7 es una representación esquemática de la realización ilustrada en la figura 6 con la adición de un reformador de vapor para producir combustible de hidrógeno y reducir o eliminar adicionalmente las emisiones en tanto que se maximiza la producción de energía eléctrica y se permite la producción de coproductos tales como metanol y amoníaco.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
El sistema de tratamiento de agua salada (STS) inventivo es un proceso integrado que elimina simultáneamente el agua y las sales precipitadas del agua salada producida en pozos de petróleo y gas, reduciendo o eliminando así el costo y los problemas ambientales asociados con el desecho de aguas residuales. La eliminación de agua se logra en la primera etapa por evaporación en un enfriador de fluido, que utiliza un medio de enfriamiento para transferir calor desde la sección de enfriamiento de la etapa dos. Esto incrementa la concentración de sal desde el valor inicial hasta un punto justo por debajo del punto de saturación para una temperatura de agua dada. Después, se utiliza una fuente de calor para incrementar la temperatura del agua salada hasta el punto de ebullición, y el agua se hierve, en una torre de contacto directo o indirecto. El agua salada saturada caliente luego cae en un tanque de retención, donde la temperatura cae por debajo de la temperatura de saturación, a través del medio de enfriamiento, y las sales se precipitan fuera de la solución de agua salada. El agua salada saturada se puede recircular de nuevo a la torre de contacto directo o indirecto para su posterior evaporación hasta que se haya eliminado la cantidad máxima de agua. La torre de contacto directo o indirecto se selecciona con base en las características del agua salada de productor y el desecho final de la solución concentrada de agua salada y precipitantes de sal. Algunas sales tienen un valor considerable y se pueden procesar posteriormente para crear una fuente de ingresos adicional. Se puede usar un estanque de evaporación revestido, un evaporador de película delgada y/o una secadora instantáneo, dentro o fuera del sitio, para eliminar el porcentaje final de agua, dejando las sales precipitadas secas para la venta como sal para carreteras, procesamiento adicional o desecho.
En una realización, el agua salada producida se bombea desde un tanque de almacenamiento hacia la parte superior del enfriador de fluido. El aire se impulsa hacia el enfriador de fluido por un ventilador integral y entra en contacto directo con el agua salada, disminuyendo su temperatura a la temperatura de bulbo húmedo asociada a la atmósfera a través de la evaporación. El medio de enfriamiento se hace circular a través de un intercambiador de calor superficial humedecido en el enfriador de fluido a una temperatura por encima de la temperatura de bulbo húmedo. Esto promueve evaporación adicional, para mantener la temperatura de bulbo húmedo. El agua salada y el flujo de aire están equilibrados para controlar la concentración del agua salada que sale.
El agua salada luego entra en la torre de contacto, donde una fuente de calor incrementa su temperatura y hierve agua adicional. La fuente de calor puede ser un quemador que utiliza gas natural bien producido combinado con aire para añadir calor directa o indirectamente al agua salada. Si un pozo es gas de quema, esta realización puede reemplazar la antorcha, o al menos utilizar ese gas para un propósito constructivo. La torre de contacto directo puede utilizar un material de empaquetamiento o bandejas para promover la transferencia de calor al incrementar el área de superficie y el tiempo de residencia o puede usar una configuración de película descendente que limita la cantidad de incrustación que puede tener lugar en tanto que proporciona una cantidad razonable de eliminación de agua. El agua salada saturada se puede recircular de nuevo a la torre de contacto indirecto para su posterior evaporación hasta que se haya eliminado la cantidad máxima de agua. El flujo de gas del quemador se ajusta para mantener la temperatura de salida del escape y el vapor de agua por encima del punto de condensación. En tanto que esta torre directa es más eficiente, puede haber algunos contaminantes introducidos en la solución de sal concentrada y precipitantes que pueden reducir el valor de estos productos. Un beneficio potencial de este contacto directo es la introducción de CO2 en la solución salina, que en algunos casos puede promover la formación de hidróxidos, que tienen una menor solubilidad, incrementando así la precipitación de sólidos. La torre de contacto indirecto utiliza un intercambiador de calor para separar los gases de escape del quemador del agua salada. Esto elimina los problemas de contaminación, pero tiene menos eficiencia de transferencia de calor. La torre de contacto indirecto puede estar en forma de un evaporador de película descendente donde el gas caliente fluye alrededor de un tubo interno o tubos en los que el agua salada fluye en una película delgada en la superficie interna del tubo. El vapor fluye por el centro del tubo y sale por la parte superior, en tanto que el agua salada saturada y las sales caen por la parte inferior. Se utilizará un análisis de agua salada para determinar el tipo de torre de contacto.
El agua salada sale de la torre de contacto como una solución concentrada caliente. Luego entra en un tanque de separación de sólidos, donde la temperatura se disminuye por un medio de enfriamiento y un intercambiador de calor. Las sales se precipitan a medida que la temperatura disminuye y se recolectan en la parte inferior del tanque de fondo inclinado. Una bomba de transferencia de sólidos elimina estos sólidos y los transfiere a un lecho de secado o camión de transporte para su posterior procesamiento o vertido. El agua salada concentrada se bombea a un estanque de evaporación cubierto y revestido, un evaporador de película delgada, una secadora instantánea o un camión para su transporte a una instalación externa para su procesamiento adicional.
El agua producida en el pozo de petróleo/gas (agua salada) se recolecta en el tanque 1 en la figura 1 (realización no cubierta por la invención). El agua salada A se mueve por la bomba 2 hacia un enfriador de fluido evaporativo 3, donde parte de esta se evapora, que da por resultado agua salada concentrada B. Se introduce aire C y el agua salada se enfría a o cerca de la temperatura de bulbo húmedo asociada a la atmósfera a través de evaporación y se deja como aire y vapor de agua D.
La electricidad E se utiliza para alimentar un ventilador integral para mover el aire. El medio de enfriamiento de retorno G se hace circular a través de un intercambiador de calor integral de superficie húmeda en el enfriador de fluido a una temperatura por encima de la temperatura de bulbo húmedo. Esto promueve evaporación adicional, para mantener la temperatura de bulbo húmedo que da como resultado un suministro de medio de enfriamiento de temperatura más baja H. El medio de enfriamiento G se almacena en el tanque 4 y circula por la bomba 5.
El agua salada concentrada B luego entra en la torre de contacto 6, donde se calienta por el quemador 7 usando gas de pozo F, aire C y electricidad E. El calor de quemador incrementa la temperatura hasta el punto de ebullición y hierve agua adicional. El escape de quemador y el vapor de agua salen de la torre de contacto como corrientes separadas del escape I y el vapor de agua J en la torre de contacto indirecto o el escape combinado y el vapor de agua K en la torre de contacto directo. El agua salada de alta concentración L sale de la torre de contacto y entra en un tanque de separación 8, donde se enfría mediante un intercambiador de calor integral utilizando un medio de enfriamiento H y la sal se precipita. La bomba 9 transporta agua salada saturada M al estanque de evaporación 11, al evaporador de película delgada 12, a la secadora instantánea 13 o al camión para transporte fuera del sitio. Las sales húmedas precipitadas N se transportan mediante la bomba 10 a un lecho de secado o a un camión para su transporte fuera del sitio.
El estanque de evaporación revestido 11 tiene una cubierta para evitar la dilución del agua de lluvia. Se dimensionaría para que coincida con la evaporación con el flujo entrante. Eventualmente, el flujo se desviaría a otro estanque de evaporación o sistema de secado con sal y los sólidos de sal se dejarían secar completamente y se transportarían fuera del sitio.
El evaporador de película delgada 12 también produce sólidos de sal seca, utilizando un quemador 7, alimentado por gas de pozo F, aire C y energía eléctrica E. El agua salada saturada M se transporta a la parte superior de la unidad, donde se libera alrededor de la superficie interna del tambor de calentamiento vertical. Un conjunto de palas esparce el agua salada saturada en una capa delgada, donde el agua se hierve por el escape de quemador I en la superficie externa del tambor de calentamiento. Las palas también evitan que los sólidos se depositen en el tambor al transportarlo a la parte inferior del evaporador como sólidos de sal seca O. El vapor de agua J se ventila a la atmósfera o se puede dirigir a un sistema de recuperación de agua si se desea.
Una secadora instantánea alternativa 13 también produce sólidos de sal seca, usando un quemador 7, alimentado por gas de pozo F, aire C y energía eléctrica E. El agua salada saturada M se transporta a la parte superior de la unidad, donde se rocía en la secadora instantánea donde interactúa con los gases de quemador calientes. Los sólidos de sal seca O caen al fondo y una mezcla de gases de escape y vapor de agua K sale a la atmósfera a través de la parte superior de la unidad o se dirige a un sistema de recuperación de agua si se desea. La secadora instantánea se puede ubicar dentro o fuera del sitio.
Otra característica es un sistema de recuperación de agua que tomaría el vapor de agua J y K, producido por los diversos componentes, y condensaría el agua dulce P para uso local o venta. El intercambiador de calor 14 usaría el suministro de medios de enfriamiento H para condensar el vapor de agua de la corriente J o K en agua dulce P, que se almacenaría en el tanque de agua dulce 15. La bomba 16 transferiría el agua dulce a un sistema local para uso interno, tubería o camión para venta.
La figura 2 (realización no cubierta por la invención) representa las realizaciones proporcionadas en la figura 1 con la adición de la producción de energía eléctrica usando un ciclo de Rankine orgánico, ORC, motor y generador 17. El vapor de refrigerante orgánico sobrecalentado Q se expande a través de una rueda de turbina 17A, produciendo energía para hacer girar el generador eléctrico 17B. La energía eléctrica E se puede usar localmente para alimentar el proceso o venderse a la red eléctrica, reduciendo el costo de evaporar el agua salada. El intercambiador de calor 17C luego condensa el vapor usando el suministro de medios de enfriamiento H y lo almacena en el tanque 17D. La bomba 17E transporta el refrigerante líquido R a alta presión en la caldera/intercambiador de calor 17f , que produce vapor sobrecalentado Q. El quemador 7 proporciona calor para el proceso de ORC antes de que los gases de escape ingresen a las torres de contacto 6A o 6B. El exceso de calor transferido al medio de enfriamiento H también promueve evaporación adicional en la torre de enfriamiento 3.
La figura 3 (realización no cubierta por la invención) representa las realizaciones proporcionadas en las figuras 1 y 2 con la adición de un motor de combustión interna y un generador para producir energía eléctrica. Un motor de turbina 18A o motor de pistón 18B utiliza gas de pozo F y aire C para producir energía para impulsar los generadores 19A o 19B que producen energía eléctrica E. Las corrientes de escape S reemplazan los quemadores en las torres de contacto 6A o 6B. El intercambiador de calor 20 transfiere calor del agua de camisa de motor de pistón al medio de enfriamiento, promoviendo evaporación en la torre de enfriamiento 3. La energía eléctrica E se puede usar localmente para alimentar el proceso o venderse a la red eléctrica, reduciendo el costo de evaporar el agua salada.
La figura 4 (realización no cubierta por la invención) representa las realizaciones proporcionadas en las figuras 1, 2 y 3, con la adición de un proceso cloroalcalino que produce ácido clorhídrico. El agua salada concentrada B se desvía por la bomba 21 a un lado de un recipiente cloro alcalino 22, que se separa en dos secciones por una membrana. Este lado/sección contiene un ánodo 23 y produce gas de cloro U junto con agua salada de menor concentración W, que regresa a la corriente de agua salada concentrada B que se combina para formar la corriente W, que fluye a la torre de contacto 6A o 6B. El otro lado del recipiente 22 que contiene el cátodo 24, recibe agua dulce P de la bomba 16 y produce gas hidrógeno T e hidróxidos V a partir de iones de sodio y calcio, que atraviesan la membrana. Los hidróxidos de calcio y sodio V concentrados se recolectarían y venderían al mercado. El voltaje eléctrico de CD se aplica a través del ánodo y el cátodo E+ y E- que impulsan la reacción química. El hidrógeno T y el cloro U se combinan en un quemador de cloruro de hidrógeno 25, y junto con agua dulce P y electricidad E, forman ácido clorhídrico concentrado Y. Se añade agua dulce P al ácido clorhídri
producto final Z se transfiere a camiones cisterna a través de la bomba 27, donde se vende al mercado o se utiliza como un aditivo de fracturación hidráulica de pozo o para la mejora de producción de pozos. El proceso cloroalcalino produciría ingresos adicionales y reduciría aún más el costo del procesamiento del agua salada.
La figura 5 (realización no cubierta por la invención) representa las realizaciones proporcionadas en las figuras 1, 2, 3 y 4, con la adición de un sistema de cogeneración de vapor añadido al motor de combustión interna para incrementar la energía eléctrica producida y mejorar la economía de la evaporación del agua salada. El escape de motor de combustión interna S entra en el generador de vapor de gas caliente 28 antes de continuar a la torre de contacto 6. El generador de vapor de gas caliente recibe agua de alimentación AA y produce vapor sobrecalentado AB. El vapor sobrecalentado entra en la turbina de vapor 29 donde se extrae energía mecánica que impulsa el generador eléctrico 30 que produce electricidad E. El vapor saturado a baja presión AC sale de la turbina de vapor y se utiliza para otros procesos o se condensa en el intercambiador de calor 31. El medio de enfriamiento H se hace circular a través del condensador que recoge calor del vapor de condensación, regresando al tanque 4 antes de que se bombee al enfriador de fluido evaporativo 3, lo que incrementa la evaporación, reduciendo aún más el volumen de agua salada. El agua de alimentación condensada se almacena en el tanque 32 y se transporta de vuelta al generador de vapor mediante la bomba 33. La adición del sistema de cogeneración de vapor produciría ingresos adicionales y reduciría aún más el costo del procesamiento del agua salada.
La figura 6 representa las realizaciones proporcionadas en las figuras 1, 2, 3, 4 y 5, con la adición de un motor de cero emisiones de la invención, (ZEE), que convertirá el gas natural de boca de pozo en energía eléctrica y térmica sin emisiones de carbono 35. El ZEE 34 recibe gas de boca de pozo de presión extremadamente alta F, oxígeno líquido AF y agua destilada AG a través de válvulas de control FC y produce dióxido de carbono y vapor de agua a alta temperatura y presión extremadamente alta, que crea energía mecánica en la turbina 35 y sale como escape AH. La turbina de ZEE, al no tener que accionar un compresor, transfiere la mayor parte de su energía al generador eléctrico 36 que produce electricidad E. Toda o parte de la corriente de escape AH de ZEE se desvía al intercambiador de calor 37, donde su energía térmica se transfiere a nitrógeno líquido AE. Toda o parte del agua en AH se condensa y sale como agua saturada y dióxido de carbono AI, que se enfría adicionalmente en el intercambiador de calor 38 antes de entrar en el recipiente 39 donde el dióxido de carbono AJ se separa del agua destilada AG. La bomba 40 alimenta agua destilada al ZEE 34 a través de una válvula de control para proporcionar un método para mantener las temperaturas en o por debajo de las limitaciones de componentes. El agua destilada AG también se puede transferir a otros usos o ventas. El nitrógeno líquido AE hervido en el intercambiador de calor 37 produce gas nitrógeno de temperatura media y presión extremadamente alta que impulsa la turbina de nitrógeno 41, produciendo energía mecánica para impulsar el generador eléctrico 42 produciendo energía eléctrica E. El gas nitrógeno AK sale a la atmósfera a baja presión y baja temperatura.
Como parte del ZEE, se incluye un método para producir oxígeno líquido y nitrógeno. El aire C se presuriza una cantidad predeterminada mediante el compresor 43, que se alimenta mediante la turbina de nitrógeno 44 mediante gas nitrógeno de temperatura media y presión extremadamente alta del intercambiador de calor 45. La energía térmica para hervir e incrementar la temperatura del nitrógeno se suministra por el escape de ZEE AH. El aire presurizado se enfría mediante el nitrógeno líquido en ebullición AE en el intercambiador de calor 46 corriente arriba del intercambiador de calor 45 antes de que se envíe a la unidad de separación de aire 47. La unidad utiliza energía eléctrica para producir argón líquido AD, nitrógeno líquido AE y oxígeno líquido AF. La venta de argón debería añadir ingresos suficientes para pagar los costos operativos y de capital de la unidad de separación de aire. El enfriamiento para la unidad de separación de aire se proporciona por el medio de enfriamiento H y en el intercambiador de calor 48. El nitrógeno líquido AE fluye desde la unidad de separación de aire a los tanques de almacenamiento 49A-D, donde se mantiene para su uso como se requiera para el proceso de ZEE. La bomba 50 suministra el nitrógeno a una presión extremadamente alta al intercambiador de calor 46 o 51 a través de válvulas de control para vaporización y sobrecalentamiento. La ventaja del almacenamiento es que la producción de electricidad con el nitrógeno puede estar disponible en períodos pico, generalmente entre las 9:00 am y las 3:00 pm de lunes a viernes, cuando incrementa el valor de la electricidad. Esto maximiza los ingresos de la energía eléctrica producida, reduciendo aún más el costo del procesamiento de agua salada. El oxígeno líquido AF fluye de la unidad de separación de aire a los tanques de almacenamiento 52, donde se mantiene para su uso como se requiera para el proceso de ZEE. La bomba 53 suministra el oxígeno a una presión extremadamente alta al quemador de ZEE 34 a través de la válvula de control FC.
Un componente final del sistema de ZEE es un método para recolectar y utilizar o secuestrar el dióxido de carbono AJ. Un intercambiador de calor adicional 54 condensará agua de la corriente de escape no utilizada AH enviándola junto con vapor de dióxido de carbono como corriente AI al recipiente 55, donde se separa en vapor de dióxido de carbono AJ y agua destilada AG. Otras corrientes de IA también se recolectarán de otras áreas del proceso, tal como el recipiente de contacto 4. El vapor de dióxido de carbono AJ de los recipientes 55 y 39 se dirigirá al compresor 57, impulsado por el motor eléctrico 58, y se enviará ya sea a secuestro geológico en acuífero salino de formación profunda, secuestro mineral tal como carbonatos, recuperación de aceite mejorada, otro uso, venta o intercambiador de calor 51 para condensación en dióxido de carbono líquido AL. El dióxido de carbono líquido se almacenará en el recipiente 58 para su venta o uso posterior, que se transporta por la bomba 60. Una forma en que el secuestro de carbonato puede ocurrir es cuando el dióxido de carbono AJ se burbujea en el recipiente 8. Cuando la solución de agua salada se expone al dióxido de carbono, los iones de hidróxido reaccionan rápidamente con él para formar iones de bicarbonato y cuando se combinan con iones de calcio o sodio forman carbonatos de calcio o carbonatos de sodio. El dióxido de carbono también se puede usar para proporcionar una recuperación de aceite mejorada en formaciones petrolíferas locales o regionales. La adición del concepto de motor de cero emisiones, el sistema de ZEE junto con la producción de coproductos relacionados, produciría ingresos adicionales y reduciría aún más el costo del procesamiento del agua salada con poco o ningún impacto ambiental.
La figura 7 representa las realizaciones proporcionadas en las figuras 1, 2, 3, 4, 5 y 6, con la adición de una unidad de producción de hidrógeno similar a un reformador de vapor con catalizador de metal. El uso de hidrógeno en el concepto de motor de cero emisiones, ZEE, simplifica la captura de dióxido de carbono al mantenerlo fuera del flujo de escape. Con el hidrógeno como combustible, el ZEE produce solo vapor en el escape AM, lo que permite múltiples usos del escape después de salir de la turbina de ZEE. Un reformador de vapor con catalizador de metal 61, recibe gas de boca de pozo F, oxígeno AF y vapor AM y produce hidrógeno AN y dióxido de carbono AJ. Todo o parte del hidrógeno se envía al ZEE para su combustión. La adición del reformador de hidrógeno también permite la producción de otros productos a partir del hidrógeno, vapor, oxígeno y nitrógeno disponibles. Se puede añadir un proceso de metanol 62 para tomar hidrógeno AN y monóxido de carbono AO y producir metanol Ap. El calentamiento y enfriamiento del proceso se puede proporcionar por el medio de enfriamiento H y vapor AM. Un proceso de amoníaco tal como Harber-Bosch 63 tomaría hidrógeno AN, nitrógeno AE y produciría amoníaco AQ. El calentamiento del proceso se proporciona por el intercambiador de calor 64, utilizando vapor AM y agua destilada condensada AG de retorno. La adición del reformador de vapor al sistema de concepto de cero emisiones, ZEE, permite un proceso más rentable de producción de energía mecánica y térmica y la producción de productos adicionales tal como metanol y amoníaco. Todo esto produciría ingresos adicionales y reduciría aún más el costo del procesamiento del agua salada con poco o ningún impacto ambiental.
En las realizaciones anteriores, particularmente cuando el volumen de agua producida excede el calor disponible de un generador, se puede emplear evaporación de múltiples efectos o evaporación por compresión de vapor para incrementar la cantidad de agua que se evapora. En el proceso de evaporación de múltiples efectos, el vapor producido en el primer efecto se desplaza a la segunda etapa, donde la presión es más baja, y la evaporación se produce a una temperatura más baja. Esto sigue teniendo tantos efectos como sea posible. La evaporación puede ir más allá de la saturación en un evaporador de tipo de película descendente, con la eliminación de las sales precipitadas y el agua saturada que se envía de vuelta al evaporador. Esto se puede repetir hasta que el volumen de agua se reduce hasta en un 90%. El agua altamente concentrada que contiene cloruro de sodio, cloruro de calcio, cloruro de magnesio y otras sales traza se puede enviar a otros procesos dentro o fuera del sitio.
En el caso de compresión de vapor, el agua se hierve primero por un elemento eléctrico u otra fuente de calor, luego por el vapor de agua que se produce. El vapor se comprime por un compresor eléctrico, que eleva el punto de condensación por encima del punto de ebullición del agua que ingresa al evaporador. El enfoque de compresión de vapor permite la evaporación ilimitada del agua, variando solo por la cantidad de electricidad que se produce. En el caso de un productor de petróleo o gas, la electricidad disponible se puede desviar a los requisitos de producción y procesamiento durante los períodos pico, lo que permite una tarifa de servicio eléctrico más favorable para el productor. Esto sería importante alrededor de las plantas de gas u otras instalaciones de procesamiento, especialmente en áreas del país donde la capacidad de los servicios públicos es limitada. Durante los períodos pico, cuando no se produce la evaporación, se puede hacer circular agua producida en baja concentración en los evaporadores y el equipo asociado para disolver las sales que se han depositado en las superficies internas. Esto extiende el tiempo entre los intervalos de mantenimiento del evaporador y el equipo de eliminación de sólidos.
Otra innovación es el procesamiento adicional de sales removidas del agua producida. Se propone que las sales se separen en los diversos componentes tan puros como sea posible, luego que somete a las sales fundidas o preparadas a separación electroquímica de cloro y metal. El cloro se capturará para la producción de ácido clorhídrico y los metales, principalmente sodio, calcio y magnesio, se recolectarán en un ambiente inerte. Los metales luego se pueden combinar con otros elementos para formar compuestos valiosos. En el caso del calcio, se propone utilizarlo para fabricar un nuevo tipo de conductor eléctrico. El conductor de calcio se sellaría dentro del aislamiento, con conexiones expuestas hechas de cobre, aluminio u otra aleación. El conductor se utilizaría para enterrar directamente u otras instalaciones que no induzcan tensión o sobrecargas. El calcio es tercero sólo al cobre y el aluminio en la conductividad, pero tiene menor densidad. Esto da como resultado un conductor de menor costo que podría ser fundamental para mover la red eléctrica subterránea y mover grandes cantidades de energía producida en áreas remotas a los usuarios a cientos de kilómetros de la fuente.
Por lo tanto, la presente invención está bien adaptada para llevar a cabo los objetos y lograr los fines y ventajas mencionados anteriormente, así como aquellos inherentes en la misma. En tanto que actualmente se han descrito realizaciones preferidas para fines de esta divulgación, numerosos cambios y modificaciones serán evidentes para aquellos en la técnica. Estos cambios y modificaciones se abarcan dentro de esta invención como se define por las reivindicaciones.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un método para reducir o eliminar una solución de agua salada que se genera como resultado de la producción de petróleo y gas, fracturación hidráulica u otros procesos, que comprende:
(a) suministrar la solución de agua salada a través de un enfriador de fluido evaporativo que evapora una porción del agua en la solución de agua salada para producir una solución de agua salada concentrada y
(b) hervir o evaporar agua adicional de la solución de agua salada concentrada, para producir una corriente concentrada adicional,
caracterizado por:
(c) accionar un generador eléctrico usando un motor de cero emisiones (ZEE) que produce una corriente de escape de ZEE, donde la corriente de escape de ZEE se utiliza en el paso (b) para calentar la solución de agua salada concentrada, y opcionalmente para calentar nitrógeno líquido para accionar una turbina de nitrógeno.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además el paso de enfriar la corriente concentrada adicional en un tanque de retención en el que la corriente concentrada adicional se enfría mediante intercambio de calor indirecto con un medio de enfriamiento a una temperatura por debajo del punto de saturación de la corriente concentrada adicional para liberar sólidos que se separan de la corriente concentrada adicional para formar un producto sólido y un producto de agua salada saturada en el tanque de retención.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende además el paso, antes del paso de enfriar la corriente concentrada adicional, enfriar el medio de enfriamiento al transferir calor del medio de enfriamiento a la solución de agua salada en el enfriador de fluido evaporativo en el paso (a).
4. El método de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende además el paso de reducir el producto de agua salada saturada a vapor de agua y sólidos secos en una secadora instantánea.
5. El método de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende además el paso de reducir el producto de agua salada saturada en una torre de evaporador de película delgada en la que el producto de agua salada saturada se alimenta a la parte superior de la torre de evaporador de película delgada y fluye hacia abajo a lo largo de una pared interna de una superficie de transferencia de calor en una película delgada desarrollada mediante palas giratorias dentro de la torre de evaporador de película delgada de modo que el agua se evapora del producto de agua salada saturada y un producto de sal se acumula en una parte inferior de la torre de evaporador de película delgada.
6. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además el paso, después del paso (a) y antes del paso (b), de utilizar al menos una porción de la solución de agua salada concentrada en un proceso cloroalcalino para producir gas de cloro, hidróxidos y ácido clorhídrico.
7. El método de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende además la corriente de escape de ZEE que se produce a partir de (i) un gas de boca de pozo de un pozo o una corriente de hidrógeno producida a partir del gas de boca de pozo, (ii) oxígeno líquido y (iii) agua.
8. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además el paso de recuperar CO2 de la corriente de escape de ZEE.
9. El método de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende además el paso de burbujear el CO2 a través de la corriente concentrada adicional producida en el paso (b) en tanto que se enfría la corriente concentrada adicional para hacer que los sólidos se precipiten a partir de la corriente concentrada adicional.
10. El método de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende además el paso de producir el oxígeno líquido para el motor de cero emisiones usando una unidad de separación de aire.
11. El método de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende además el paso de recuperar el argón producido en la unidad de separación de aire.
12. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además el paso de producir hidrógeno en una unidad reformadora usando un gas de boca de pozo de un pozo, donde la unidad reformadora también produce un producto de vapor y donde al menos una porción del hidrógeno se usa como combustible en el motor de cero emisiones.
13. El método de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende además el paso de producir metanol a partir de una porción del hidrógeno.
14. El método de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende además el paso de producir un producto de amoníaco a partir de una porción del hidrógeno.
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