JP2011504962A - 高温加圧水及び回収流体により全原油を品質改良する方法 - Google Patents

Abstract

採取された全原油／回収流体混合物を段階的方式で減圧し、続いて全原油の少なくとも一部を超臨界水流体に接触させて、炭化水素原料として使用するための、硫黄、窒素及び金属不純物が少ない高価値の原油を生産する、回収流体を使用して全原油を品質改良するための方法。

Description

本特許出願は、これらすべての全体が参照により本明細書に組み込まれた、２００８年１１月２８日出願の米国仮特許出願第６０／９９０６４１号、第６０／９９０６６２号、第６０／９９０６４８号、第６０／９９０６７０号、及び第６０／９９０６５８号に対して優先権を請求する。

本発明は、回収流体を使用して、段階的減圧ステップの後に外部供給の水素を使用せずに回収原油を超臨界水流体に接触させることにより、硫黄、窒素、金属不純物が少なく、炭化水素原料として使用するために高いＡＰＩ比重を有する、低流動点で高価値の原油を製造するために全原油を品質改良する方法に関する。

石油製品に対する世界全体の需要は近年劇的に増加しており、既知で高価値の軽質原油貯留層は大半が枯渇しつつある。その結果、製産会社は、常に増加する将来の需要を満たすために、低価値の重質原油を使用することに関心を移している。しかし、重質原油を使用する現在の精製方法は、軽質原油を使用する精製よりも効率が低いので、より重質の原油から石油製品を製産する精油所は、同量の最終製品を得るために、より重質の原油をより多量に精製しなければならない。しかし、残念なことに、これは将来の需要の増加予想を考慮しているわけではない。さらに問題を悪化させているのは、多数の国が石油系輸送燃料の規格に関して、より厳しい規制を施行したこと、又は施行を計画していることである。その結果、石油業界は、常に増加する石油原料需要を満たし、精製工程に用いられる利用可能な原油の品質を改良する努力を払って精製する前に重質原油を処理する新しい方法を発見すべく探索している。

全原油、すなわち生原油は、任意の精製工程の前に生産井から生産される原油に対する一般的な用語である。生産井の地理的な特徴によって、全原油は油井ごとに組成が大きく変わることがある。残念なことに、新しく発見された油井の多くは、重質留分、並びに炭素及び水素以外の不純物の含有量が多い全原油を生産する傾向にある。それゆえ、より定評があり、より価値がある油井は枯渇するようになり、我々の将来の供給の大部分は粗悪な原油から成ることになる。

一般的に、高密度原油では、より価値がある軽質及び中質留出物の量は少なくなる。加えて、高密度原油は、硫黄、窒素及び金属等の不純物の量を一般的に多く含有する。これらすべての不純物は、最終製品中の不純物含有量の厳しい規制を満たすことを目的とした水素化処理のために、水素及びエネルギー量を多く必要とする。

一般的に言えば、重質原油は、ＡＰＩ比重が低く、アスファルテン含有量が高く、中質留出物収率が低く、硫黄含有量が高く、窒素含有量が高く、高金属含有量が高い。これらの性質により、厳しい政府規制を満たす規格を有する最終石油製品を生産するために従来の精製工程により重質原油を精製することが困難になる。

従来のクラッキング方法
低価値の重質原油は、従来知られている様々な方法を用いて重質留分をクラッキングすることにより高価値の軽質原油に転換できる。従来、クラッキング及び清浄化は、触媒を用いて、水素の存在下、高温で実施されてきた。しかし、この種の水素化処理は、多量の水素及び／又は触媒を使用しない場合では、重質サワー原油の処理に明確な限界がある。

加えて、重質粗原料油の蒸留及び／又は水素化処理では、大量のアスファルテン及び重質炭化水素が生成し、これらを利用するにはさらにクラッキング及び水素処理を行わなければならない。アスファルテン留分及び重質留分用の従来の水素化分解及び水素化処理工程も、高額の設備投資及び多数の工程が必要になる。

多数の石油精油所では、原油を様々な留分に蒸留した後に従来の水素化処理を行っており、各留分は別々に水素化処理される。それゆえ、精油所は各留分ごとに複雑な単位操作を利用しなければならない。さらに、従来の水素化分解及び水素化処理工程では、かなりの量の水素及び高額な触媒が利用される。これらの工程は、激しい反応条件下で実施されて、重質原油からより価値がある中質留出物への収率が増加し、硫黄、窒素及び金属等の不純物が除去される。

現在、最終製品に必要な低分子量規格を満たすため、硫黄、窒素及び金属等の不純物を除去するため、及びマトリクスの水素対炭素比を増加させるために、大量の水素が従来の精製工程からの留分の性質調整に使用されている。アスファルテン留分及び重質留分の水素化分解及び水素化処理は大量の水素が必要な工程の例であり、両工程は触媒の寿命を低下させる。

その結果、有効な低コストの方法を用いて全原油の重質部分のみにクラッキングを行うことは有益なことがあり、全原油流全体はより価値がある軽質留分から成ることがあるため、下流の精製コストが低減される。

水熱クラッキング−超臨界水
超臨界水は、外部源の水素を添加して炭化水素をクラッキングするための反応媒体として使用されている。水は、約７０５°Ｆ（３７４℃）及び約２２．１ＭＰａの臨界点を有する。これらの条件を超えると、水の液体と気体の間の界面が消失し、得られた超臨界水は有機化合物に対する高溶解性及び気体との高混和性を示す。

しかし、全原油を品質改良するための超臨界水の利用は、全原油の重質炭化水素分子の含有量が増加した場合、重大な欠点を有することがある。重質炭化水素分子は、その軽質対応物と比べてゆっくりと超臨界水内に溶解する。さらに、複雑に絡み合った構造であるアスファルテン分子は、超臨界水を用いても容易に解れない。その結果、超臨界水と接触させられることがない重質炭化水素分子の一部は、それ自体が熱的に分解して大量のコークスになる。それゆえ、全原油の重質炭化水素の含有量が増加した場合、現在の方法を用いた全原油と超臨界水の反応は、反応器内部のコークスの蓄積に繋がる。

反応器の内部にコークスが蓄積すると、コークスが断熱材の役割を果たして反応器全体に亘る放射からの熱を効果的に遮るため、作業者が堆積を相殺するために操作温度を上げなければならないので、エネルギーコストの増加に繋がる。さらに、蓄積したコークスにより工程ライン全体の圧力低下も増すので、さらなるエネルギーコスト増加の要因となる。

コークスの堆積を防ぐ１つの可能な解決法は、原油全体を溶解して反応器の温度を下げるために反応器内の全原油の滞留時間を増やすことである。しかし、全体的な工程の経済性及び品質改良性能は低下することがある。加えて、反応器設計の改善は有用な場合があるが、この改善は設計コストで多額の出費が必要となり、最終的には有効であると立証されないことがある。それゆえ、工程で重質油と超臨界水との効果的な接触を容易にするという要求がある。これにより、多量のコークスが生成せず、操作コストが大幅に増えることがなくなる。

原油増進回収法
原油増進回収法（Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｏｉｌ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ：ＥＯＲ）は、油田から採取できる油量を増加させる技術に関する包括的な用語である。ＥＯＲを使用すると、１次及び２次回収を用いる２０〜４０％と比較して、貯留層元来の石油の約３０〜６０％又はそれ以上を採取することができる。ＥＯＲ用の典型的な流体には、気体、液体、蒸気又は他の薬品が含まれ、気体注入が最もよく使用されるＥＯＲ技術である。

気体型ＥＯＲでは、二酸化炭素（ＣＯ_２）、天然ガス又は窒素等の気体が貯留層に注入されてこれが膨張することにより、さらなる原油が生産用掘削穴に押圧される。また、気体は原油に溶解して原油の粘度を低下させ、輸送ラインを通る原油の流速を改善する。

ＣＯ_２が貯留層中の石油と同じ密度になるのに十分な圧力で貯留層にポンプ輸送されると、ＣＯ_２は石油と混和するようになることがある。混和性が初めて達成される圧力を、最小混和圧力（ｍｉｎｉｍｕｍ ｍｉｓｃｉｂｉｌｉｔｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ：ＭＭＰ）と称する。ＭＭＰ以上では、ＣＯ_２が理想的な石油用溶媒になり、このため、水よりもはるかに高効率で石油を貯留層から移動させる。ＣＯ_２は、より軽質の炭化水素成分を取り出し、石油の全容積を膨張させ、より容易に流動するようにその粘度を低下させる。

ＣＯ_２は、現在最も有望な原油回収流体の１つであり、これは溶解したＣＯ_２が減圧により生産後に回収原油から容易に分離できるからである。もちろん、ＣＯ_２の原油中の溶解度は、圧力、温度、油に対する気体の比率及び原油の組成に強く依存する。しかし、ＣＯ_２と原油の相挙動を制御する最も容易な方法は、圧力を変化させることである。低圧では、ＣＯ_２は原油、特に重質留分に対して非常に低い溶解度を示す。加えて、ＣＯ_２が原油に溶解すると原油の膨張が起こり、原油内に存在することがあるアスファルテン類の溶解度が増す。

前述の通り、高密度の全原油と超臨界水とを接触させる欠点の１つは、低価値のコークスを大量に生成することであった。このコークス生成は、超臨界水が効率的に高密度の全原油、特に全原油の重質留分全体に浸透できないことにより起こった。しかし、原油中に溶解したＣＯ_２により原油が膨張し、このため密度が低下するので、ＣＯ_２ＥＯＲ法と超臨界水を組み合わせて、重質留分の超臨界水への溶解を容易にすることにより、かなりの量のコークスを生成せずに全原油を品質改良することが可能になる。

全原油のすべての流れを処理することは、処理量が多すぎるので経済的に実行できない。それゆえ、コークスへの転化を制限し、油井全体の生産性を向上し、高価値の軽質留分が大部分である最終原油を生産するために、全原油の重質部分のみを接触させると同時に、ＣＯ_２ＥＯＲ法と超臨界水クラッキング法を組み合わせた簡単で経済的な方法を有することは望ましいことであろう。

さらに、外部供給の水素又は外部供給された触媒の存在のどちらも必要としない超臨界水を用いた全原油を品質改良するために改善された方法を有することは望ましいことであろう。精製工程及び様々な補助施設が単純化できるように、個別の留分よりは全原油の品質改良をする工程と装置を作り出し、所望の品質に到達することは有利な場合があろう。

加えて、水素供給、又はコークス除去システムを、生産現場で実施されるように必要とする他の工程を伴う複雑な設備又は施設が不要である改善された方法を有することは有益であろう。

本発明は、これらの要求を少なくとも１つは満たす方法に関する。本発明は、全原油流の一部のみと超臨界水を接触させることにより全原油流を品質改良する方法を提供する。特に、本発明はＥＯＲ法を利用して全原油を回収し、全原油の重質留分がもはや回収流体と混和性がなくなるように、回収全原油は段階的方式で減圧される。少量の溶解回収流体を含有する重質留分流は次に適切な装置に送られ、そこで重質留分流は超臨界条件下の水と接触する。少量の溶解回収流体により重質留分流は膨張するので、重質留分流は超臨界水を用いてより容易に品質改良できるため、コークス形成が少なくなり、操作コストが低減される。さらに、本方法は一部の全原油のみを品質改良するので、本発明の方法は処理量をより多く取り扱うことが可能となるため、生産現場で使用でき、さらに全体の操作費用が低減される。

本発明の１つの実施形態では、全原油を品質改良する方法は、生産井からの全原油の回収を向上させるために回収流体が地中構造を掃引できるように、注入井に加圧回収流体を回収流体の最小混和圧力を超えた圧力で注入するステップであって、回収流体は生産井からの回収時に全原油と均質に混合されて高圧流を生成し、全原油が軽質留分及び重質留分を含むステップを含むことができる。回収流体は、生産井からの回収で全原油と均質に混合されて高圧流を生成し、全原油は軽質留分及び重質留分を含む。

高圧流は、次に重質留分内のごく一部の回収流体の混和性を維持する条件下で減圧され、重質留分は高圧流から分離されて軽質原油流及び重質留分流を形成する。軽質原油流は、かなりの部分の回収流体を含有する。回収流体は軽質原油流から分離できて、フラッシュ蒸留器を含む任意の適切な装置により軽質留分流を形成する。

重質留分流は、重質留分流を水供給流と超臨界条件下で接触させることにより改質重質留分に改質される。改質重質留分は、全原油と比較して、アスファルテン、硫黄、窒素又は金属含有物質の量が少なくなる。

代わりの実施形態では、かなりの部分の回収流体を軽質原油流から分離した後の軽質留分流は、改質重質留分と混ぜ合わせることができ、品質改良された全原油を生成する。品質改良された全原油は、より高いＡＰＩ比重を有し、全原油と比較してアスファルテン、硫黄、窒素又は金属含有物質の量が少なくなる。

追加の実施形態では、回収流体は、気体、液体、蒸気、薬品及びそれらの組み合わせから成る群から選択される。さらなる実施形態では、気体は、二酸化炭素、窒素、天然ガス及びそれらの組み合わせから成る群から選択される。さらなる実施形態では、二酸化炭素が好ましい気体である。本発明の目的として、気体は、通常の温度及び圧力で固体又は液体のどちらでもない物質を指す。

代わりの実施形態では、重質留分流を改質するステップは、重質留分と水供給流とを混ぜ合わせて混合物を生成することをさらに含み、混合物は水素を外部供給せずに生成される。混合物の温度は、次に反応区域内の混合物の温度が水の臨界温度以上になるように変更され、混合物中の少なくとも一部の炭化水素がクラッキングを受けて高温適合混合物を生成する。高温適合混合物は、冷却及び減圧されて減圧適合混合物を生成する。減圧適合混合物は、気体部分及び液体部分に分離され、液体部分は次に回収水流及び改質重質留分に分離される。代わりの実施形態では、混合物は触媒を外部供給せずに生成する。別の代わりの実施形態では、反応区域は、内側部分を有する主反応器を含み、主反応器は縦型反応器であり、予備加熱混合物が縦型反応器を通って下方に流れる。さらなる実施形態では、高温適合混合物は圧力調整装置により減圧される。好ましくは、圧力調整装置は少なくとも１台の背圧調整器であり、より好ましくは並列方式で構成される２台以上の背圧調整器である。

代わりの実施形態では、重質留分流を改質するステップは、水供給流及び重質留分流の圧力を水の臨界圧を超える目的圧に昇圧することを含むことができる。重質留分流は、わずかに高い温度で水供給流と混合されて混合物を形成し、温度は、前記のわずかに高い温度が混合物を容易にポンプ輸送できるようになる範囲内で選択される。わずかに高い温度とは、室温に比べてわずかに昇温された温度である。典型的な昇温された温度として、５０〜１５０℃の範囲の温度が挙げられる。水の臨界圧を超える圧力を維持し続けている混合物は、加熱区域にポンプ輸送される。混合物は、加熱区域内で約１５０℃から約３５０℃の範囲の温度に加熱されて予備加熱混合物を形成する。予備加熱混合物は、次に反応区域に供給される。温度は、反応区域内で水の臨界温度以上の目的温度に昇温され、少なくともある程度の予備加熱混合物の炭化水素がクラッキングを受けて、高温適合混合物を形成し、反応区域には外部供給触媒が本質的になく、外部供給水素源が本質的にない。高温適合混合物は冷却及び減圧されて、減圧適合混合物を形成する。減圧適合混合物は、少なくとも１台の分離器を用いて気体部分及び液体部分に分離され、液体部分は、次に少なくとも１台の油水分離器を用いて改質重質留分及び回収水流に分離される。

追加の実施形態では、回収水流は、超臨界条件下で酸化できて処理水流を形成し、処理水流は、次に処理水流と水供給流を混ぜ合わせることによりリサイクルできる。本発明の別の追加の実施形態では、主反応器は、縦型反応器でよく、予備加熱混合物は縦型反応器を通って下方に流れる。さらなる実施形態では、高温適合混合物は、圧力調整装置により減圧される。好ましくは、圧力調整装置は少なくとも１台の背圧調整器であり、より好ましくは並列方式で構成される２台以上の背圧調整器である。

代わりの実施形態では、重質留分流を改質するステップは、水供給流及び重質留分流の圧力を水の臨界圧を超える目的圧に昇圧することを含むことができる。水供給流は、次に高温に加熱されて加熱水流を形成して、加熱水流は超臨界状態になる。重質留分流は、混合区域で加熱水流と混合されて予備加熱混合物を形成し、混合区域は反応区域に近接した位置にあり、予備加熱混合物が超臨界状態を維持し、次に予備加熱混合物が反応区域に供給される。温度は、反応区域内で水の臨界温度以上の目的温度に昇温されるので、少なくともある程度の予備加熱混合物の炭化水素がクラッキングを受けて、高温適合混合物を形成し、反応区域には外部供給触媒が本質的になく、外部供給水素源が本質的にない。高温適合混合物は冷却及び減圧されて、冷却適合混合物を形成する。冷却適合混合物は減圧されて減圧適合混合物を形成する。減圧適合混合物は、少なくとも１台の気液分離器を用いて気体部分及び液体部分に分離され、液体部分は、少なくとも１台の油水分離器を用いて改質重質留分及び回収水流に分離される。

追加の実施形態では、回収水流は、超臨界条件下で酸化できて処理水流を形成し、処理水流は、次に処理水流と水供給流を混ぜ合わせることによりリサイクルできる。本発明の別の追加の実施形態では、主反応器は、縦型反応器でよく、予備加熱混合物は縦型反応器を通って下方に流れる。さらなる実施形態では、高温適合混合物は圧力調整装置により減圧される。好ましくは、圧力調整装置は少なくとも１台の背圧調整器であり、より好ましくは並列方式で構成される２台以上の背圧調整器である。

本発明の方法は、炭化水素を品質改良するための外部供給の水素及び／又は触媒を必要としない。外部触媒がないので、外部触媒を使用するという操作上の欠点のみならず触媒のコストも回避することにより、コスト効率がよい方法が開発される。また、本発明の方法中の超臨界水流体は、他の熱的クラッキング方法と比較してコークスの形成が抑制され、その結果液体の収率が向上する。

さらに、超臨界水流体は反応速度を向上させる物質移動を容易にする。１つの実施形態では、反応区域内の予備加熱混合物の滞留時間は、０．１から３０分の間であり、より好ましくは５から１５分の間である。

本発明は、全原油を品質改良するための装置も提供する。本発明の１つの実施形態では、装置は、注入井、生産井、分留装置及び水熱改質設備を有する。１つの実施形態では、注入井は地中構造に流体的に連通している。さらに、注入井は、加圧回収流体を受けること、及び加圧回収流体を地中構造に導入することができる。加圧回収流体は、地中構造内で全原油に均質に混合されて高圧流を形成し、高圧流は回収流体及び全原油で構成されており、全原油は軽質留分及び重質留分を含む。１つの実施形態では、生産井は、生産井が地中構造からの高圧流を生成できるように地中構造に流体的に連通している。

本発明の１つの実施形態では、分留装置は生産井に流体的に連通している。分留装置は、重質留分が高圧流から分離されて軽質原油流及び重質留分流を形成するように、高圧流を段階的方式で加圧でき、一方、ごく一部の回収流体は重質留分中で混和性を維持し、軽質原油流はかなりの部分の回収流体を含有する。

本発明の１つの実施形態では、水熱改質設備は、重質留分流を水供給流と超臨界条件下で接触させることにより重質留分流を改質重質留分に改質でき、改質重質留分は全原油と比較して重質留分、アスファルテン、硫黄、窒素又は金属含有物質の量が少なくなる。本発明の他の実施形態では、水熱改質設備は混合区域、予備加熱区域、高圧ポンプ輸送手段及び反応区域を有する。１つの実施形態では、混合区域は超音波発生器を含む。さらに、混合区域は、わずかに高い温度で重質油を供給水と混ぜ合わせることができる。予備加熱区域は混合区域に流体的に接続され、予備加熱区域はその内容物を約３５０℃までの温度に加熱できる。高圧ポンプ輸送手段は、装置内を水の臨界圧を超えるまで昇圧できる。反応区域は、主反応器の内側部分を含み、反応区域は予備加熱区域に流体的に接続され、主反応器は少なくとも水の臨界温度と同じ高さの温度に耐えることができる。加えて、主反応器は水の臨界圧を超える圧力に耐えることができる。本発明の１つの実施形態では、反応区域には外部供給触媒が本質的になく、外部供給水素源が本質的にない。

本発明の他の実施形態では、水熱改質設備は、圧力調整装置、圧力調整装置に流体的に接続された気液分離器、及び気液分離器に流体的に接続された油水分離器を含むこともできる。気液分離器は液体流及び気体流を生成でき、油水分離器は回収水流及び品質改良された炭化水素流を生成できる。本発明の追加の実施形態では、水熱改質設備は、回収水流を通じて油水分離器に流体的に接続されている酸化反応器を含むこともできる。酸化反応器は、回収水がリサイクルされ供給水と混ぜ合わされる前に回収水を清浄化できる。

加えて、本発明の方法と装置は、全原油の生産現場で容易に利用できる。これは、本発明の様々な実施形態が、水素供給又はコークス除去のシステムが必要な他の工程に関連する複雑な装置又は設備を必要としないからである。また、低流動点及び高ＡＰＩ比重の原油は低水準の硫黄、窒素及び金属しか含まず、さらにコストが掛かる水素化処理をこれにより最小化できるので、原料の価値が向上する。

本発明のこれら及び他の特徴、観点及び利点は、以下の説明、請求項及び添付の図面によって、より理解されるようになる。しかし、図面は本発明の数件の実施形態のみを説明し、それゆえ、他の同等に有効な実施形態を是認できるように、発明の範囲を制限することを考慮していないということに注意するべきである。

本発明の実施形態による工程図の斜視図である。 本方法の改質ステップの１つの実施形態のより詳細な図である。 本方法の改質ステップの代わりの実施形態のより詳細な図である。 軽質留分及び重質留分両方の二酸化炭素の溶解度曲線を示す。

本発明は、水素及び触媒を外部供給せずに、全原油をより価値がある原油原料に転化する方法を提供する。本方法は、回収流体が地中構造を掃引し、これにより生産井からの全生産を増加させるように、回収流体を加圧下で注入井に注入するステップを一般的に含む。本方法は、回収流体と均質に混合された回収全原油を、全原油を構成する軽質留分及び重質留分が分離するように、段階的方式で減圧するステップをさらに含む。重質留分は、次に、改質のために水熱品質改良設備に送られる。

改質ステップは、一般的に重質留分を高温加圧水と接触させて、より高いＡＰＩ比重を有し、全原油に比べてアスファルテン、硫黄、窒素又は金属含有物質の量が少ない改質重質留分を生産するステップを含む。改質ステップは、水素を添加せずに実施される。高温加圧水は、水の臨界温度及び圧力を超え、所望の最終結果を達成するために本発明で使用される独特の性質を示す。

高温加圧水は、物質拡散、熱移動、分子内及び分子間の水素移動の容易化、コークス形成を抑制するためのラジカル化合物の安定化、並びに硫黄、窒素及び金属含有分子等の不純物の除去を通じて低分子量炭化水素にクラッキングされる重質成分の反応媒体を提供する。不純物除去の正確な機構は特定されていないが、不純物は水相に吸収される、又はコークス中若しくは品質改良された生成物中の重質留分に濃縮されると考えられる。超臨界水を使用すると、これらの不純物が原油から分離されて、有害な効果を防ぐ。

本方法は、回収流体を軽質原油流から分離して軽質留分流を形成するステップをさらに含み、１つの実施形態では、軽質留分流は改質重質留分と混ぜ合わされて品質改良された全原油を形成する。さらに、軽質原油流から分離された回収流体は、注入ステップの間に再使用するために回収及びリサイクルできる。

本発明の上記の実施形態は、すべて通常水準の処理量を維持しながら地下から全原油を採取し、全原油の価値が低い重質成分を品質改良する効果的な方法を提供する。本発明は、重質留分の改質に高価な触媒を必要としないので有利である。さらに、本発明は、より旧式でより高価な蒸留装置を使用せずに、全原油を重質及び軽質留分に分留する実用的な方法を提供する。また、本発明は、品質改良のために離れた場所に全原油を輸送するのではなく、生産会社が生産現場で全原油を品質改良することを可能にするので、さらにコストが下がる。

二酸化炭素が回収流体である本発明の実施形態を表す図１を注目してみる。二酸化炭素貯蔵タンク（５）に貯蔵されている二酸化炭素は、圧縮され、圧縮二酸化炭素ライン（７）を通じて注入井（１５）に注入される。圧縮二酸化炭素の圧力は、最小混和圧力（ＭＭＰ）を超えて維持され、地中構造（１７）内にある全原油中の二酸化炭素の混和性を確保する。ＭＭＰは、油井ごとに変化するが、二酸化炭素のＭＭＰは、一般的に２０００ｐｓｉｇから４０００ｐｓｉｇの範囲である。それゆえ、二酸化炭素の操作圧は、典型的には２０００ｐｓｉｇから５０００ｐｓｉｇである。二酸化炭素と共に水も注入して原油の回収を容易にする。これは、気液交互圧入（Ｗａｔｅｒ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ−Ｇａｓ：ＷＡＧ）設計としてよく知られており、参照を通じて本明細書に組み込まれる。

混和した二酸化炭素及び全原油は、生産井（２５）を通して地表に到達し、この高圧流（２７）は次に分留装置（３５）に入り、圧力はＭＭＰ未満だが特定の値を超える点に減圧されるので、高圧流の重質部分は二酸化炭素と非混和になる。１つの実施形態では、分留装置（３５）の圧力は、二酸化炭素の臨界圧（１０７３ｐｓｉｇ）に近い圧力範囲内の圧力に維持される。好ましい圧力範囲は５００ｐｓｉｇから２０００ｐｓｉｇであり、より好ましくは１，０００ｐｓｉｇから１，３００ｐｓｉｇである。分留装置（３５）内の温度は、０℃から５０℃、好ましくは２０℃から４０℃の範囲内に維持される。

まだ少量の二酸化炭素を含有している重質留分流（４）と称されるこの重質部分は、次に水熱改質設備（４５）に送られる。これにより、重質留分流（４）は、超臨界条件下の水に接触して改質重質留分（９２）になる。少量の二酸化炭素が重質留分流（４）内に存在すると２つの利点が得られる。第１に、重質留分流に溶解した二酸化炭素は、粘度を低下させて、重質留分流がより流れやすくなる。第２に、前述の通り、溶解した二酸化炭素は重質留分の比重を低下させるので、超臨界水が重油分子により効率的に相互作用して、転化率がより良好になり、コークス生成が低下し、操作コストが低くなる。

大部分の二酸化炭素及び全原油の軽質留分を含む軽質原油流（３７）は、分留装置（３５）から出て二酸化炭素分離器（５５）に入り、ほぼ大気圧に減圧することにより残留している二酸化炭素が除去されて軽質留分流（５９）が残る。分離された二酸化炭素は、回収二酸化炭素ライン（５７）を通りリサイクルされて二酸化炭素貯蔵タンク（５）に戻る。軽質留分流（５９）は、次に品質改良全原油貯蔵タンク（６５）に供給され、貯蔵するために改質重質留分（９２）と混ぜ合わせられる。最終生成物である、品質改良全原油（９６）は、次にさらなる改質のために輸送されてもよい。

図２は、水熱改質設備（４５）の１つの実施形態を表す。水供給流（２）は水貯蔵タンク（１０）に供給され、水供給流（２）は、続いて高圧定量水ポンプ（２０）を用いて混合区域（３０）の工程にポンプ輸送される。重質留分流（４）は、続いて同様に重質留分貯蔵タンク（１１）に供給され、重質留分流（４）は高圧定量重質留分ポンプ（２１）を用いて混合区域（３０）の工程にポンプ輸送される。混合区域（３０）以前では、重質留分流（４）は流動できる温度であるが、温度は好ましくは１５０℃を超えない。２つの流れを、混合区域（３０）で混ぜ合わせて混合物（３２）を形成する。混合物（３２）は、次に加熱区域（４０）に供給され、温度を１５０から４００℃、より好ましくは１５０から３５０℃の範囲の温度に昇温されて、予備加熱混合物（４２）を形成する。

予備加熱混合物（４２）は次に主反応器（５０）に供給され、温度及び圧力は水の臨界点付近又は臨界点付近を超えて、予備加熱混合物（４２）の少なくともある程度の炭化水素がクラッキングを受けて高温適合混合物（５２）を形成し、主反応器（５０）は、外部供給触媒が本質的になく、外部供給水素源が本質的にない内側部分を有する。高温適合混合物（５２）は、次に任意の許容可能な手段（６０）、好ましくは熱交換器を用いて冷却されて、冷却適合混合物（６２）を生成する。冷却適合混合物（６２）は、次に圧力調整装置（７０）により減圧されて、減圧適合混合物（７２）を生成する。１つの実施形態では、圧力調整装置（７０）は、並列方式で接続された少なくとも２つの背圧調整器を含み、より好ましくは３つの背圧調整器（７０ａ、７０ｂ、７０ｃ）を含む。この配置は、第１背圧調整器が閉塞した場合にも連続して操作ができるという利点を提供する。減圧適合混合物（７２）は、次に気液分離器（８０）に入り、減圧適合混合物（７２）は気体部分（８２）及び液体部分（８４）に分離される。液体部分（８４）は、次に油水分離装置（９０）に供給されて、改質重質留分（９２）及び回収水（９４）を生成する。代わりの実施形態では、回収水（９４）は、水貯蔵タンク（１０）の前後どちらでもリサイクルでき、水供給流（２）として再利用できる。

図３は、水供給流（２）が混合区域（３０）の前で超臨界条件まで予備加熱される１つの実施形態を表す。この実施形態では、水供給流（２）は水貯蔵タンク（１０）に供給され、水供給流（２）は、続いて高圧定量水ポンプ（２０）を用いて工程内にポンプ輸送される。しかし、重質留分流（４）と初めに混合する代わりに、水供給流（２）は加熱区域（４０）で加熱を受けて、加熱水流（４１）を形成する。加熱水流（４１）は超臨界状態である。

重質留分流（４）は同様に高蝋含有原油貯蔵タンク（１１）に供給されて、続いて高圧定量重質留分ポンプ（２１）を用いて混合区域（３０）の工程にポンプ輸送される。混合区域（３０）以前では、重質留分流（４）は、流動できる温度であるが、温度は好ましくは１５０℃を超えない。重質留分流（４）及び加熱水流（４１）を、好ましくは主反応器（５０）に近い混合区域（３０）で混ぜ合わせて、予備加熱混合物（４２）を生成する。

予備加熱混合物（４２）は主反応器（５０）に入り、温度及び圧力は水の臨界点付近又は臨界点付近を超えて、少なくともある程度の予備加熱混合物（４２）の炭化水素がクラッキングを受けて高温適合混合物（５２）を形成し、主反応器（５０）は、外部供給触媒が本質的になく、外部供給水素源が本質的にない内側部分を有する。高温適合組成物（５２）は、次に任意の許容可能な手段（６０）、好ましくは熱交換器を用いて冷却されて、冷却適合混合物（６２）を生成する。冷却適合混合物（６２）は、次に圧力調整装置（７０）により減圧されて、減圧適合混合物（７２）を生成する。１つの実施形態では、圧力調整装置（７０）は、並列方式で接続された少なくとも２つの背圧調整器を含み、より好ましくは３つの背圧調整器（７０ａ、７０ｂ、７０ｃ）を含む。この配置は、第１背圧調整器が閉塞した場合にも連続して操作ができるという利点を提供する。減圧適合混合物（７２）は、次に気液分離器（８０）に入り、気体部分（８２）及び液体部分（８４）に分離される。液体部分（８４）は、次に油水分離装置（９０）に供給されて、改質重質留分（９２）及び回収水（９４）を生成する。代わりの実施形態では、回収水（９４）は、水貯蔵タンク（１０）の前後どちらでもリサイクルでき、水供給流（２）として再利用できる。

図４は圧力の関数としての二酸化炭素の一般的な溶解度曲線を示す。一般的に言えば、二酸化炭素は、高分子量を有する石油留分中よりも低分子量を有する石油留分中により容易に溶解する。曲線１は、重質留分中の二酸化炭素の溶解度曲線を表し、一方、曲線２は、軽質留分中の二酸化炭素の溶解度曲線を表す。本発明では、圧力Ａは生産井中に存在する高圧流の圧力を表し、圧力Ｂは図１中の分留装置の圧力である。

図４に示すように、重質留分中の二酸化炭素の溶解度は、軽質留分中よりもより速く減少する。この溶解度の差により、本発明で高圧流の残りから重質留分がうまく分離できる。実際には、圧力Ａは、測定又は予想できる回収流体のＭＭＰを超えるべきである。

圧力Ｂは、一連の実験を実施することにより最適に選択できる。直感的に、圧力Ｂが高すぎる場合は、分離される重質留分は少なくなり、これは全体の転化率を制限する。しかし、圧力Ｂがあまり低く設定されると、比較的多めの軽質留分が水熱改質設備に送られ、水熱設備全体で軽質留分の過剰な流れを受け入れるために、大規模な設備及びより多量の電力が必要になる。どちらの場合でも、工程全体の効率は低下する。それゆえ、図１の分留装置（３５）の操作圧を最適化するために実験を実施すべきであり、通常の当業者には明らかであるべき多数の他変数の内、例えば、使用される回収流体の種類、全原油の独特な特性、装置特性及び所望の処理量等を考慮すべきである。

本発明をその数種の形態だけで示し説明してきたが、本発明の適用範囲から逸脱することなく様々に変更することは、それほど制限されておらず可能であるということが当業者に明らかであるのは当然である。

Claims (20)

1. 全原油を品質改良するための方法であって、
   生産井からの全原油の回収を向上させるために回収流体が地中構造を掃引できるように、注入井に加圧回収流体を回収流体の最小混和圧力を超える圧力で注入するステップであって、回収流体は生産井からの回収時に全原油と均質に混合されて高圧流を生成し、全原油が軽質留分及び重質留分を含む上記ステップと、
   重質留分中のごく一部の回収流体の混和性を維持する条件下で高圧流を減圧して、重質留分を高圧流から分離して軽質原油流及び重質留分流を形成するステップであって、軽質原油流はかなりの部分の回収流体を含有している上記ステップと、
   回収流体を軽質原油流から分離して軽質留分流を形成するステップと、
   重質留分流を水供給流と超臨界条件下で接触させることにより重質留分流を改質重質留分に改質するステップであって、改質重質留分は全原油と比較して重質留分、アスファルテン、硫黄、窒素又は金属含有物質の量が少なくなる上記ステップと
   を含む上記方法。
2. 軽質留分流を改質重質留分と混ぜ合わせて品質改良された全原油を生成するステップであって、品質改良された全原油は、全原油と比較して重質留分、アスファルテン、硫黄、窒素又は金属含有物質の量が少なくなる上記ステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記回収流体が気体、液体、蒸気、薬品及びそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項１に記載の方法。
4. 前記回収流体が、二酸化炭素、窒素、天然ガス及びそれらの組み合わせから成る群から選択される気体である、請求項１に記載の方法。
5. 前記回収流体が二酸化炭素である、請求項１に記載の方法。
6. 回収流体を軽質原油流から分離する前記ステップがフラッシュ蒸留器を含む、請求項１に記載の方法。
7. 重質留分流を改質する前記ステップが、
   重質留分を水供給流と混ぜ合わせて混合物を生成させるステップであって、混合物が水素を外部供給せずに生成される上記ステップと、
   反応区域内の混合物の温度が水の臨界温度以上になるように混合物の温度を変更して、混合物中の少なくとも一部の炭化水素がクラッキングを受けて高温適合混合物を生成するステップと、
   高温適合混合物を冷却及び減圧して減圧適合混合物を生成するステップと、
   減圧適合混合物を気体部分及び液体部分に分離するステップと、
   液体部分を回収水流及び改質重質留分に分離するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記混合物が、触媒を外部供給せずに生成する、請求項７に記載の方法。
9. 前記反応区域が、内側部分を有する主反応器を含み、主反応器が縦型反応器を含み、予備加熱混合物が縦型反応器を通って下方に流れる、請求項７に記載の方法。
10. 前記高温適合混合物が圧力調整装置によって減圧され、圧力調整装置は少なくとも１台の背圧調整器を含む、請求項７に記載の連続的な方法。
11. 前記圧力調整装置が並列方式で構成される２つ以上の背圧調整器を含む、請求項１０に記載の連続的な方法。
12. 重質留分流を改質する前記ステップが、
    水供給流及び重質留分流の圧力を目的圧に昇圧するステップであって、目的圧は水の臨界圧を超える上記ステップと、
    重質留分流をわずかに高い温度で水供給流と混合して混合物を形成するステップであって、温度は前記のわずかに高い温度が混合物を容易にポンプ輸送できるようになる範囲から選択される上記ステップと、
    混合物を水の臨界圧を超える圧力で加熱区域にポンプ輸送するステップと、
    加熱区域内の混合物を約１５０℃から３５０℃の範囲の温度に加熱して予備加熱混合物を形成するステップと、
    予備加熱混合物を反応区域に供給するステップと、
    反応区域内の温度を水の臨界温度以上の目的温度に昇温して、予備加熱混合物の炭化水素の一部がクラッキングを受けて高温適合混合物を形成するステップであって、反応区域には外部供給触媒が本質的になく、外部供給水素源が本質的にない上記ステップと、
    高温適合混合物を冷却及び減圧して減圧適合混合物を形成するステップと、
    少なくとも１台の分離器を用いて、減圧適合混合物を気体部分及び液体部分に分離するステップと、
    少なくとも１台の油水分離器を用いて、液体部分を改質重質留分及び回収水流に分離するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 回収水流を超臨界条件下で酸化して処理水流を形成するステップと、
    処理水流と水供給流を混ぜ合わせることにより処理水流をリサイクルするステップとをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 重質留分流を改質する前記ステップが、
    水供給流及び重質留分流の圧力を水の臨界圧を超える目的圧に昇圧するステップと、
    水供給流を高温に加熱して加熱水流を形成して、加熱水流が超臨界状態になるステップと、
    混合区域で重質留分流を加熱水流と混合して予備加熱混合物を形成するステップであって、混合区域が反応区域に近接した位置にあり、予備加熱混合物が超臨界状態を維持する上記ステップと、
    予備加熱混合物を反応区域に供給するステップと、
    反応区域内の温度を水の臨界温度以上の目的温度に昇温し、少なくともある程度の予備加熱混合物の炭化水素がクラッキングを受けて高温適合混合物を形成するステップであって、反応区域には外部供給触媒が本質的になく、外部供給水素源が本質的にない上記ステップと、
    高温適合混合物を冷却及び減圧して減圧適合混合物を形成するステップと、
    少なくとも１台の気液分離器を用いて、減圧適合混合物を気体部分及び液体部分に分離するステップと、
    少なくとも１台の油水分離器を用いて、液体部分を改質重質留分及び回収水流に分離するステップとをさらに含む、請求項１の方法。
15. 回収水流を超臨界条件下で酸化して処理水流を形成するステップと、
    処理水流と水供給流を混ぜ合わせることにより処理水流をリサイクルするステップとをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 全原油を品質改良するための装置であって、
    地中構造と流体的に連通する注入井であり、加圧回収流体を受けること及び加圧回収流体を地中構造に導入することができ、加圧回収流体が地中構造内で全原油に均質に混合されて高圧流が形成され、高圧流が回収流体及び全原油を含み、全原油が軽質留分及び重質留分を含む上記注入井と、
    地中構造に流体的に連通する生産井であり、地中構造から高圧流を生成できる上記生産井と、
    生産井に流体的に連通する分留装置であり、重質留分が高圧流から分離されて軽質原油流及び重質留分流を形成するように高圧流を段階的方式で減圧でき、ごく一部の回収流体が重質留分内で混和性を維持し、軽質原油流がかなりの部分の回収流体を含有する上記分留装置と、
    重質留分流を水供給流と超臨界条件下で接触させることにより重質留分流を改質重質留分に改質できる水熱改質設備であって、改質重質留分が全原油と比較して重質留分、アスファルテン、硫黄、窒素又は金属含有物質の量が少なくなる上記水熱改質設備と
    を含む上記装置。
17. 前記水熱改質設備が、
    わずかに高い温度で供給水を有する重質留分を受け取り、重質油／水混合物を生成することができる混合区域と、
    混合区域と流体的に接続されている予備加熱区域であり、重質油／水混合物を約３５０℃までの温度に加熱できる予備加熱区域と、
    重質油／水混合物の圧力を少なくとも水の臨界圧に昇圧できる高圧ポンプ輸送手段と、
    予備加熱区域と流体的に接続されている反応区域であり、主反応器の内側部分を含み、主反応器は少なくとも水の臨界温度と同じ高さの温度に耐えることができ、主反応器は水の臨界圧力を超える圧力に耐えることができ、外部供給触媒が本質的になく、外部供給水素源が本質的にない上記反応区域とを含む、請求項１６に記載の装置。
18. 前記混合区域が、重質油／水混合物にキャビテーションを施して、サブミクロン乳化液を生成することにより重質油／水混合物の混合をさらに誘起することができる超音波発生器をさらに含む、請求項１７に記載の装置。
19. 圧力調整装置と、
    圧力調整装置に流体的に接続された気液分離装置であり、液体流及び気体流を生成することができる上記気液分離装置と、
    液体流を通じて気液分離装置に流体的に接続された油水分離装置であり、回収水流及び品質改良された炭化水素流を生成できる油水分離装置とをさらに含む、請求項１７に記載の装置。
20. 前記回収水流をリサイクルして供給水と混ぜ合わせることができ、回収水流に流体的に接続される酸化反応器をさらに含み、酸化反応器が酸化を通じて回収水流を清浄化できる、請求項１９に記載の装置。

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