KR20110028282A - 질산염 이온의 현지 생산을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

질산염 이온의 현지 생산을 위한 방법 및 장치 Download PDF

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도날드 오. 히츠맨
디. 마이클 대니스
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엔아이티알에이-젠 엘엘씨
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Abstract

장치 및 방법은 상기 장치에 근접되게 추출된 물, 천연가스 및 공기로부터 질산염 이온을 현지 생산한다. 본 장치는 질산염 이온을 발생시켜 상기 질산염을 수성 시스템과 접촉시킨다. 상기 수성 시스템 내에 존재하는 황화수소를 제거하며 또한 황산염-환원 박테리아 (SRB)에 의한 황화수소의 생성은 상기 시스템 내에 질산염 이온을 주입함으로써 제거되며 따라서 질산염을 이용하는 탈질 미생물은 이용 가능한 탄소 영양소를 위한 황산염 환원 박테리아와 과잉경쟁하여 상기 SRB가 황화수소를 생성하는 것을 방지한다. 상기 장치에 의해 발생되며 또한 상기 탈질 미생물을 함유하는 상기 수성 시스템에 첨가된 질산염 이온은 미생물 증강 오일 회수 메카니즘을 사용하여 오일 회수를 증강할 수 있다.

Description

질산염 이온의 현지 생산을 위한 방법 및 장치 {A method and apparatus for on-site production of nitrate ions}
관련 특허출원에 대한 참조
본 출원은 전적으로 여기에서 참고로 포함되는 2008년 5월 22일자 출원된 미국특허출원 제12/125,582호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 특히 유전 적용에 사용되는 수성 시스템에서 질산염 이온을 현지 생산하여 상기 질산염 이온을 수용액과 접촉시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
주된 오일 회수는 일반적으로 소정의 지질 구조 및 층이 함유하는 것의 50% 미만을 생산한다. 따라서 많은 지하 유층을 함유하는 다공질 바위 형성물로부터 오일 회수를 증강하기 위하여 물 주입이 사용되고 있다. 증강 오일 회수(enhanced oil recovery)에서, 수성 시스템은 수용액을 유층(oil reservoir) 내에 주입하기 위해 사용된다. 수성 시스템은 수용액 예를 들면 유정, 오일 워터 분리기, 물 저장탱크, 파이프라인, 및 주입정을 수집하거나 또는 분배하는 장치 또는 일부 시설을 구비하는 상기 기반 시설을 포함할 수 있다. 주입 공정은 황화수소(H2S)를 생성하는 것으로 알려져 있지만, 이는 유층을 상하게 한다.
황화수소는 황산염 환원 박테리아에 의해 생성되며, 이는 시스템 내의 황산염을 황화물로 전환한다. 이러한 박테리아는 오일의 드릴링(drilling) 중에 발생할 수 있지만, 이들은 또한 드릴링 이전에 자연히 존재할 수 있다. 이들 박테리아 및 유전에 대한 이들의 영향은 예를 들어 J. R. Postgate, THE SULPHATE-REDUCING BACTERIA 2nd. (Cambridge University Press, 1984)에 기술되어 있다.
이렇게 하여 진행된 황화수소는 오일을 회수하기 위해 사용된 장비의 부식 원인이 되며 또한 유전의 생산 능력을 급격하게 손상할 수 있으며 또한 회수된 원유의 상업적 가치를 낮춘다. 따라서 황화수소의 형성을 방지하고 및/또는 유전에서 일단 생산되면 황화수소를 제거하는 것에 관한 집중적인 조사가 있었다.
예를 들면, 몰리브덴산염의 첨가가 침전물 등의 자연환경에서 황화수소의 생산을 담당하는 황산염 환원 박테리아(SRB)를 억제하고 및/또는 사멸하는 것이 알려져 있다. 그럼에도 불구하고, 이 방법은 처리할 물속에 3,000ppm 이상의 거대한 량의 몰리브덴산염이 SRB에 의한 황화수소 생산을 효과적으로 제어하는데 사용되는 것이 필요하다. 이러한 다량의 몰리브덴산염의 사용은 염류 환경에서 또는 동생수(connate water)등의 다른 소금 환경에서 더 낮은 효율성 및 몰리브덴산염의 제한된 이용율로 인하여, 가격이 높다는 복합적인 단점을 갖고 있다.
또한 SRB를 함유하는 시스템에 질산염 이온의 첨가는 시스템 내에 SRB의 량을 감소시키며 따라서 SRB에 의해 형성된 황화수소의 량을 감소시키는 것으로 알려져 있다. 이 방법은 유전 수에 존재하는 Thiobacillus denitrificans 균주 및 다른 탈질 미생물에 의존한다. 예를 들면, 수성 시스템에 존재하는 황화수소가 제거되며 또한 황산염 환원 박테리아에 의한 황화수소의 생산성이 상기 시스템 내에 질산염 및 질산염 화합물 및/또는 몰리브덴산염 이온을 도입함으로써 제거되며, 따라서 탈질 미생물은 이용 가능한 탄소 영양분에 대한 황산염-환원 박테리아를 과잉 경쟁하며, 이것은 SRB가 황화수소를 생산하는 것을 방지한다.
이러한 목적을 위해 질산염은 전형적으로 암모니아를 산화시켜 형성되거나 또는 통상적인 프랙티스에 의해 매설되어(minded) 있으며, 또한 유전 또는 다른 흔히 오지에 매우 근접되게 수송 및 저장된다. 다량의 질산염 또는 다른 용액과 질산염의 혼합물을 수송 및 저장하는 것은 여러 가지 안전성 및 비용 문제를 제기한다.
따라서 수성 시스템에서 황화수소의 형성을 방지하고 또한 그 시스템에서 특정한 현존 황화수소를 제거하기 위하여 질산염 이온을 현지에서 생산하여 질산염 이온을 수성 시스템과 접촉시키는데 경제적이고 유효한 수단을 제공할 필요가 있다. 또한 질산염 이온을 현지에서 생산하여 질산염 이온을 수성 시스템과 접촉시키는 수단을 제공할 필요가 있으며, 이는 감소된 량의 황화수소를 함유하는 오일의 회수에 유용하며 또한 본 공정에서 나중에 황화수소를 형성하는데 민감하지 않을 것이며, 따라서 본 시스템은 본 공정에 사용되는 장치에 역효과를 내지 않을 것이다. 이들 및 다른 필요는 본 발명에 의해 해결되었다.
본 발명에 따르면, 질산염 이온을 현지 생산하여 수성 시스템과 접촉시키는 설비가 제공되며, 이는 상기 설비에 근접되게 존재하는 물 및 천연가스를 추출하고, 상기 설비에 존재하는 주위 공기로부터 산소 및 질소를 추출하는 추출장치, 및 물, 천연 가스, 산소 및 질소를 가공 처리 및 반응시켜 질산염 이온을 형성하는 화학 반응기, 및 상기 수성 시스템에 상기 통합 시스템을 상호 연결하며 상기 질산염 이온을 상기 수성 시스템과 접촉시키는 공급 장치로 구성된 통합시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 질산염 이온을 현지 생산하여 수성 시스템과 접촉시키는 설비가 제공되며, 본 설비는 (i) 상기 설비에 근접한 물 및 천연가스를 추출하고, 상기 설비에서 주위 공기로부터 산소 및 질소를 추출하는 추출장치, 및 (ii) 상기 물, 천연 가스, 산소 및 질소를 가공 처리 및 반응시켜 질산염 이온을 형성하는 화학 반응기, 상기 수성 시스템에 상기 통합 시스템을 상호 연결하며, 상기 이온을 상기 수성 시스템과 접촉시키는 공급 장치, 상기 추출 장치, 상기 화학 반응기 및 상기 공급 장치의 각각에 작동 가능하게 연결되어 있으며 또한 질산염 이온 생산의 속도 및 용적을 조절하도록 고안된 컨트롤러, 및 상기 컨트롤러에 작용 가능하게 연결되어, 상기 수성 시스템에서 상기 이온의 농도를 모니터링 하는 센서로 이루진 통합시스템을 포함한다.
또 다른 양상에 따르면, 본 발명은 설비에서 질산염 이온을 현지에서 생산하며 또한 상기 질산염 이온을 상기 설비에 근접한 수성 시스템과 접촉시키는 방법을 제공한다. 본 방법은 상기 설비에 근접한 상기 공기로부터 산소 및 질소를 추출하고, 상기 설비에 근접되게 존재하는 물 및 천연가스를 수득하고, 상기 수득된 산소, 질소, 물 및 천연가스를 반응시켜 질산염 이온을 형성하고, 상기 질산염 이온을 상기 설비에 근접한 수성 시스템과 접촉시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 하나의 양상은 설비로서 질산염 이온을 현지에서 생산하여 수성 시스템에서 황화수소의 형성을 방지하는 방법에 관한 것이며, 본 방법은 상기 설비에 근접한 공기로부터 산소 및 질소를 추출하며, 상기 설비에 근접되게 존재하는 물 및 천연가스를 수득하며, 수득된 산소, 질소, 물 및 천연 가스를 반응시켜 질산염 이온을 형성하며, 탈질 박테리아의 성장을 설정 및 증강하는데 충분한 농도로 상기 설비에 근접한 수성 시스템과 상기 질산염 이온을 접촉시키며, 또한 상기 수성 시스템에서 질산염 이온의 농도를 모니터링 하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 하나의 양상은 설비에서 질산염 이온을 현지에서 생산하여 수성 시스템에서 오일 회수를 증강하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 상기 설비에 근접한 공기로부터 산소 및 질소를 추출하며, 상기 설비에 근접되게 존재하는 물 및 천연가스를 수득하며, 상기 수득된 산소, 질소, 물 및 천연 가스를 반응시켜 질산염 이온을 형성하며, 오일 회수를 증강하는데 충분한 농도로 상기 설비에 근접한 수성 시스템과 상기 질산염 이온을 접촉시키며, 또한 상기 수성 시스템에서 질산염 이온의 농도를 모니터링 하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가의 목적, 특징 및 이점들은 다음의 바람직한 구체예의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 따르면, 특히 유전 적용에 사용되는 수성계에서 질산염 이온을 현지 생산하여 상기 질산염 이온을 수용액과 접촉시키는 방법 및 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 한 실시태양에 따라 질산염 이온을 현지 생산하여 수성 시스템과 접촉시키는 설비의 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 한 실시태양에 따라 추출 장치의 블록 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 한 실시태양에 따라 반응기의 블록 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 한 실시태양에 따라 이송장치의 블록 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 한 실시태양에 따라 설비에서 질산염 이온을 현지에서 생산하는 방법을 예시하는 플로우 차트이다.
본 발명은 SRB에 의해 황화수소 발생을 제어하거나 또는 수성 시스템에서 예비성형된 황화수소를 제거할 필요가 있는 어느 곳에서나 사용할 수 있다. 황화수소는 오일 회수 처리 장치를 부식하며 또한 상기 장치의 오일 회수 능력에 심각한 손상의 원인이 될 수 있으며, 이는 생산된 오일의 시장 가치를 낮춘다. 그 외에, 물 처리 적용에서, 파이프 라인, 탱크, 및 다른 물 조정 장치 및 설비에서 H2S의 존개를 규제해야 한다. 질산염 기본 용액의 첨가는 예비 성형된 H2S의 제거에 영향을 미치며 또한 SRB에 의한 H2S의 추가 생성을 방지하며, 이는 상기 시스템 내에 존재할 수 있거나 또는 나중에 예를 들면 유정의 드릴링 조작 중에 첨가할 수 있다.
본 목적을 위하여 질산염은 암모니아를 산화시켜 매설 또는 형성되어 있으녀, 이는 통상적인 프랙티스에 의해, 유전 또는 다른 흔히 오지에 매우 근접되게 수송 및 저장된다. 질산염 또는 질산염 용액을 수송, 브렌딩 및 저장하는 기술적 안전성 및 비용 문제는 예를 들면 암모니아 산화에 의거하여 질산염 이온의 현지 생산에 제공함으로써 본 발명에 의해 제거된다.
본 발명의 방법 및 장치는 H2S 환원 또는 유전 적용으로 제한되지 않는다. 예를 들면 본 발명은 오일 저장탱크, 오일 및 가스 파이프 라인, 냉각탑 물, 석탄 슬러리 파이프라인, 및 물을 함유하거나 수상을 갖는 다른 탱크 또는 장치을 제어하는데 사용할 수 있다. 본 장치 및 방법은 또한 구덩이 또는 물 오염 연못에서 또는 물이 지하에 있는 물 주입 시스템에서 사용할 수 있다. 그 외에, 본 장치 및 방법은 금속 회수 (물 압입)용 광업, 쓰레기 매립, 비료 또는 다양한 다른 환경 적용을 생산하기 위한 농경지대에서 사용할 수 있다.
장치
한 실시태양에 따르면 또한 도 1에 도시된 바와 같이 설비 1은 질산염 이온을 현지 생산하고 이들 이온을 수성 시스템 20과 접촉시키는데 제공된다. 수성 시스템 20은 수용액, 예를 들어 유정, 유정 분리기, 물 저장 탱크, 파이프라인, 및 주입정을 수집 또는 분배하는 장치 또는 기구가 설치된 상기 기반 시설을 포함할 수 있다. 하나의 실시태양에 따르면, 수성 시스템 20에 존재하는 물의 근원은 해수, 재순환 생성된 물 또는 대수층 물일 수 있다. 하나의 실시태양에 따르면, 수성 시스템 20은 질산염이 수성 시스템 20과 접촉하기 전에 SRB 및/또는 탈질 미생물 및 황화물 산화 미생물을 포함한다. 추가의 실시태양에서, 수성 시스템 20은 탈질 미생물을 위한 탄소원 영양소를 자연히 포함한다.
도 1에 도시된 통합 시스템 10은 설비에 근접되게 존재하는 (주위 대기로부터) 물, 천연 가스, 산소 또는 산소-함유 가스 및 질소를 추출하기 위한 추출장치 30을 포함한다. 하나의 실시태양에 따르면, 통합 시스템 10은 비교적 작아 다양한 수성 시스템 20에서 및 이로부터 수송할 수 있다. 예를 들면, 상기 통합 시스템은 높이 대략 삼(3) 피트, 폭 이(2) 피트 및 길이 오(5) 피트의 통상적인 오피스 책상의 크기일 수 있다. 또 하나의 실시태양에 따르면, 상기 통합 시스템 10의 크기는 작동하는 설비의 크기 및 조건을 수용하도록 증가 또는 감소할 수 있다. 또한 상기 통합 시스템 10은 통합 시스템 10을 다양한 위치로 수송하게 하는 휠 및/또는 스키다(skid)를 가질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 실시태양에 따르면, 추출장치 30은 천연가스 및 물을 수득하기 위한 펌프 31, 설비 1에 근접한 주위 공기를 추출하기 위한 압축기 32, 및 추출된 주위 공기로부터 질소를 추출하기 위한 공기 분리기 33을 추가로 포함한다.
통합 시스템 10은 또한 산소, 물, 천연 가스 및 질소를 반응시켜 질산염 이온을 형성하기 위한 반응기 40을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 실시태양에 따르면, 반응기 40은 하버 타입(Haber-type) 공정을 수행하기 위한 암모니아 반응기 41 및 오스트왈드 타입(Ostwald-type) 공정을 수행하기 위한 화학 반응기 42를 포함한다. 하버 타입 공정은 질소, 산소, 물 및 천연 가스를 반응 및 가공처리하여 질소를 암모니아로 환원시키는 임의의 공정, 예를 들면 하버 공정(Haber process)일 수 있다. 오스트왈드 타입 공정은 암모니아를 반응 및 가공처리하여 산화 질소, 질산 및 질산염-아질산염 염을 얻는 임의의 공정, 예를 들면 오스트왈드 공정(Ostwald process)일 수 있다.
반응기 40에 연결된 공급 장치 50은 상기 형성된 질산염 이온을 상기 수용액과 접촉시킨다. 하나의 실시태양에 따르면 및 도 4에 예시된 바와 같이, 공급장치 50은 수성 시스템 20 내로 및 송수로 52를 통하여 반응기 40에 의해 형성된 질산염 이온을 펌핑하기 위한 펌프 51을 포함한다.
컨트롤러 60은 추출장치 30, 반응기 40 및 공급장치 50에 작동 가능하게 연결되어 있다. 컨트롤러 60은 질산염 생산의 속도 및 용적을 제어한다. 수성 시스템20에서 질산염 이온의 농도를 모니터링 하는 센서 70은 컨트롤러 60에 작동 가능하게 연결되어 있다.
방법 및 조작
설비 1에서 질산염 이온을 현지 생산하고 상기 질산염 이온을 상기 설비 1에 근접한 수성 시스템 20과 접촉시키는 방법이 설명될 것이다. 바람직하게, 휴대용의 통합 시스템 10은 처리를 필요로 하는 수성 시스템 20을 갖는 설비에 근접되게 배치된다. 하나의 실시태양에 따라 및 도 5에 도시된 바와 같이, 통합 시스템 10의 추출장치 30은 상기 설비 1에 근접한 공기로부터 산소 및 질소를 추출한다 (단계 110). 그 외에, 상기 추출장치 30은 상기 설비에 근접되게 존재하는 일정량의 물 및 천연 가스를 수득한다 (단계 120).
상기 반응기 40을 사용하면, 상기 통합 시스템 10은 질소, 산소, 물 및 천연가스를 가공처리하고 반응시켜 질산염 이온을 생산한다 (단계 130). 공기, 풍부한 공기 또는 산소를 사용하는 흡수 공정 (가공처리)는 0 내지 20 기압의 게이지 압력 하에 0 내지 100℃의 온도에서 발생한다. 바람직하게, 질산을 제조하기 위해 암모니아를 산화 질소로 산화하는데 있어서 반응(오스트왈드 타입 공정)은 0 내지 14 기압의 게이지 압력 하에 750 내지 1000℃ (바람직하게 850 내지 950℃)의 온도에서 작동할 수 있다. 아직, 반응물로서 질산염 이온, 소정의 질소, 산소, 물 및 천연 가스를 형성하는 임의의 공지된 공정이 사용될 수 있다. 하나의 실시태양에 따르면, 예를 들면, 반응기 40은 암모니아 반응기 41 및 화학 반응기 42를 포함한다. 질소, 산소, 물 및 천연가스를 제공하면, 암모니아 반응기 41은 하버 타입 공정을 사용하여 질소를 암모니아로 환원시켜 암모니아를 합성하는 것을 수행한다. 이어서 화학 반응기 42는 암모니아를 산화질산, 질산 및 질산염-아질산염 염으로 산화 또는 전환을 수행하여 질산염 이온을 생성하는 오스트왈드 타입 공정을 실시한다.
도 5의 단계 140에 도시된 바와 같이, 반응기 40에 의해 형성된 질산염 이온은 공급 장치 50을 거쳐 수성 시스템 20과 접촉한다. 질산염 이온은 배치식 또는 연속식 방법으로 수성 시스템 20에 첨가할 수 있다. 본 발명의 하나의 실시태양에 따르면, 수성 시스템 20은 질산염 이온과 한번 접촉한다. 또는 수성 시스템 20은 질산염 이온으로 반복적으로 처리한다. 처리 방법의 선택은 처리할 시스템에 의해 컨디셔닝 한다. 따라서 단일 유정을 처리하고자 하는 경우, 질산염 및 아질산염의 단일 배치식 주입 (3일 정도 이상)이 가장 좋은 방법일 수 있다. 그러나, 전체 오일 회수 시스템을 처리하고자 하는 경우, 연속식 공정이 가장 좋을 수 있다.
상기 질산염은 임의의 원하는 형태로 상기 시스템에 첨가할 수 있다. 예를 들면 상기 질산염의 임의의 원하는 형태는, 질산염 이온이 상기 수성 시스템 20에 한번 첨가된 그들의 원하는 기능을 수행하는 한, 첨가할 수 있다. 대이온, 예를 들면 칼슘, 암모늄, 소듐 또는 포타슘을 사용할 수 있다. 그 외에, 수성 시스템에 한 번 첨가된 질산염 이온을 생산하는 화합물이 사용될 수 있다.
컨트롤러 60 및 센서 70은 상기 수용액 20에 주입된 질산염 이온의 농도를 규제하고 모니터링 한다 (단계 150). 통합 시스템 10이 사용되는 적용 (예 H2S 환원, 증강 오일 회수)는 컨트롤러 60 및 센서 70이 어떻게 작동하는지를 결정할 것이다. H2S 환원 및 증강 오일 회수에 대한 검토는 이하에서 논의될 것이다.
황화수소 환원
본 발명의 하나의 양상에 따른 H2S 환원의 경우, 중요한 고려사항은 충분한 질산염 이온을 첨가하여 SRB를 제거한다. 탄소원은 황산염을 황화물로 전환시킬 필요가 있으며, 탈질 유기물 (탈질 미생물)의 성장을 촉진함으로써, 이전에 SRB에 의해 이용된 탄소원을 소비한다. 따라서 첨가된 질산염의 량은 처리할 수성 시스템 20에 존재하는 탄소원의 량에 따라 달라진다. 예를 들면, 처리하고자 하는 물이 황산염을 황화물로 전환하기 위해 이전에 SRB에 의해 모두 사용된 1000ppm의 아세테이트를 함유하는 경우, 충분한 질산염을 첨가하여야 탈질 미생물이 SRB 이전에 1000ppm의 아세테이트를 소비한다.
질산염 처리는 SRB와 함께 수성 시스템 20에 통상 존재하는 탈질 미생물의 성장을 촉진시킴으로써 작동한다. 그러나 이들 탈질 미생물이 존재하지 않거나 또는 적당량으로 존재하지 않는 경우, 이들은 질산염 이온과 함께 처리해야 할 수성 시스템 20에 첨가할 수 있다. 예를 들면, 탈질 유기물은 질산염 이온을 수성 시스템 20과 접촉하기 전에, 이와 동시에 또는 그 이후에 수성 시스템 20에 첨가할 수 있다. 이들은 배치식 또는 연속식 공정으로 첨가할 수 있다. 탈질 미생물은 당업자에게 알려져 있으며 또한 예를 들면 The Prokaryotes: A Handbook on Habitats, Isolation, and Identification of Bacteria", Volumes 1-4 (Springer-Verlag, 1981)에 기술되어 있다. 이들 박테리아는 질산염 또는 아질산염을 터미널 전자 수용체로서 이용하며, 즉 이를 동물로서 산소와 함께 호흡함으로써 에너지를 얻는다. 박테리아의 일부는 질산염(NO3)를 NO2, N2O 및 N2로 전환하는 반면, 다른 것은 이를 NH3로 전환한다. 탈질 미생물은 SRB를 이용하는 동일 탄소/에너지 원에서 성장할 수 있으며 또한 앞서 지적한 바와 같이 탈질 미생물은 탄소/에너지 원과 더욱 효과적으로 경쟁하며, 따라서 SBR 성장 및 후속 황화물 형성을 위한 이들의 사용을 방지한다.
탈질 박테리아는 수성 시스템 20에 존재하거나 또는 수성 시스템 20에 첨가할 수 있는 탄소 기본 영양소를 위한 SRB와 경쟁한다. 즉 두 가지 유형의 미생물은 동일 유형의 영양소와 경쟁하며 또한, 열동력학적 및 생리학적 고려로 인하여, 탈질 박테리아는 훨씬 양호한 경쟁자이다. 따라서 SBR은 충분한 산소 없이 성장하여 황화수소를 생성한다. 탄소 영양소의 이러한 결핍은 SRB를 직접적으로 사멸할 수 없지만, SRB를 황화수소로 생산시키지 않는다.
수성 시스템 20이 현재 SRB를 함유하지 않지만 상기 시스템이 장차 SRB를 함유할 가능성이 있는 경우, 질산염에 의한 예방 치료 및 필요시 탈질 미생물은 장차 SBR 활성을 불가능하게 할 것이다. 이러한 경우에, 탄소원은 탈질 미생물의 성장을 촉진하도록 탈질 미생물과 함께 첨가될 수 있다. 따라서 탈질 미생물에 의한 이용 가능한 영양소의 소비로 인하여, 장차 발생할 수 있는 임의의 SRB가 황화수소를 생성하는 것을 방지하며, SRB가 없어진다.
상기 시스템에 존재하며 및/또는 필요시 아세테이트, 프로피오네이트, 및 부티레이트 이외에 또는 이들 대신에 첨가될 수 있는 탄소원은 탈질 미생물을 위한 임의의 공지된 탄소 영양소를 포함한다. 예를 들면 크렙 사이클(Krebs cycle) 중간체, 말로네이트, 시트레이트, 락테이트, 에탄올, 글리세롤 등이 탈질 유기물을 성장시키기 위한 영양소로서 사용할 수 있다. 대부분의 유전은 자연히 탈질 박테리아를 성장시키는데 필요한 탄소원을 함유할 수 있다. 그 외에, 유전의 생산 및 작동 중에, 영양소로서 작용하는 화합물이 흔히 사용될 수 있다. 그러나 탈질 유기물을 위한 추가적인 탄소원이 탈질 유기물의 생성 및 성장을 격려하는 영양 균형에 영향을 미치기 위하여 포스페이트 염 등의 다른 원하는 영양소와 함께 첨가할 수 있다.
따라서 본 발명은 황화 수소를 생산하는 SRB를 함유하는 시스템, 또는 과거에 SRB의 존재로 인하여 황화수소를 함유하는 시스템을 처리하거나, 또는 미래에 SRB를 함유하는 시스템을 처리하기 위하여 사용할 수 있다. 이 시스템은 임의의 예비 성형된 황화수소를 제거하며 또한 미래에 SRB에 의한 형성을 방지할 수 있다.
또 하나의 실시태양에 따르면, 질산염 이온 이외에, 반응기 40은 아질산염 이온, 산화질소 및 다른 미처리 화합물을 생산한다. 아질산염 이온, 산화 질소, 미처리 화합물 및 질산염 이온은 모두 수성 시스템 20과 접촉한다. 또한 본 발명의 하나의 실시태양에 따르면, 질산염 이외에, 본 방법 및 장치는 아질산염 및/또는 몰리브덴산염을 수성 시스템 20 내로 주입한다. 질산염과 아질산염 둘 다 또는 질산염, 아질산염 및 몰리브덴산염의 결합물은 예비성형된 H2S의 제거에 영향을 미치며 또한 SRB에 의한 H2S의 추가 생성을 방지하며, 이는 시스템에 존재할 수 있거나 또는 나중에, 예를 들면 유전의 드릴링 공정 중에 첨가될 수 있다.
아질산염은 탈질 미생물의 성장 및 그리하여 탄소원의 소모를 열동력학적 방법으로 보조하기 때문에 첨가된다. 그 외에, 아질산염은 SRB로 만든 예비성형된 황화 수소와 반응하며, 따라서 예비성형된 황화물을 즉각적으로 저하시킨다. 마지막으로, 아질산염은 황화수소의 추가 생산에서 SRB의 작용을 억제한다.
아질산염 및 질산염의 작용은 상승적이다. 즉 두 개를 함께 첨가함으로써, 두 개 미만은 H2S의 제거 및 SRB에 의한 추가 H2S생성의 방지에 필요하다. 앞서 지적한 바와 같이, 첨가된 적절한 량의 이온은 탄소 농도, 황화수소 농도, 현재 SRB 농도 등을 포함하는 처리대상 시스템의 인자들에 따라 달라진다. 상술한 원칙을 이용하여 이 분야에서 알 수 있는 것들은 본 시스템이 탈질 미생물을 적절한 량의 이이용 가능한 탄소원으로 사용하여, SRB가 황화수소를 생성하는 것을 방지하며 또한 임의의 예비성형된 황화수소를 제거해야 한다는 점을 고려하여, 첨가할 적절한 량의 이온을 용이하게 결정할 수 있다.
증강 오일 회수
본 발명의 다른 실시태양에 따르면, 컨트롤러 60은 증강 오일 회수 (또한 미생물 증강 오일 회수(MEOR; microbial enhanced oil recovery)로 알려짐)를 수행하기 위해 수성 시스템과 접촉되는 질산염의 농도를 결정한다. 탈질 미생물은 조제로서 작용할 것이며, 이는 미생물 증강 오일 회수 공정(MEOR) 중에 물 전환, 바이오 고분자, 바이오 용매, 바이오 계면활성제, N2형성, 가스 생산, pH 변화 등의 메카니즘에 의해 오일의 방출을 보조할 것이다. 즉 탈질 박테리아 및 이러한 박테리아의 생성물은, 오일의 증강 변위 원인이 되는, 저 투과성 용역으로 전환하게 될 물을 향하여 고 투과성 영역에서 발생하는 물 전환을 포함하는 상기 지적된 메카니즘에 의해 오일의 방출 원인이 된다.
따라서 수성 시스템 20에서 탈질 미생물의 성장은 황화 수소를 제거하고 황화수소의 형성을 방지할 뿐만 아니라, MEOR공정에서 사용될 수 있는 수성 시스템 20을 생기게 한다. 수성 시스템 20은 오일 회수 단계 이전에 또는 도중에 질산염 이온으로 처리하여 황화 수소를 지하 형성물에 진입하지 못한다. 다음에 수성 시스템 20은 그 자체로 알려진 증강 오일 회수 공정에서 사용할 수 있다. 예를 들면, 처리된 수성 시스템 20은 지하 오일 함유 형성물을 주입하여 상기 형성으로부터 오일을 변위하는데 사용된다.
황화수소 부재 또는 환원된 황화수소를 갖는 탈질 미생물을 함유하는 수성 시스템 20은 오일을 회수하는데 더욱 효과적이다. 그 이유는 상기 오일이 상하지 않게 되고 부식이 덜하여 작동 비용을 증가시키며 또한 궁극적으로 유전의 포기를 증가시키기 때문이다. 또한 황화수소가 적거나 없기 때문에, 황화철은 철과 황화수소의 반응에 의해 생산되지 않는다. 황화철은 충전제로서 작용하기 때문에 유전에서 바람직하지 않다.
H2S 환원 적용과 유사한 추가의 개량예에서, 몰리브덴산염 및/또는 아질산염은 수성 시스템 20에 질산염과 함께 첨가할 수 있다. 몰리브덴산염은 SRB를 사멸 또는 억제하는 작용을 한다. 또한 몰리브덴산염은 탈질 박테리아를 사멸 또는 억제하지 않도록 하는 량으로 첨가된다. 그 외에, 아질산염 및 질산염과 함께 사용한 경우, SRB를 사멸 및/또는 억제하기 위하여 몰리브덴산염을 단독 사용하는 공지의 공정에서보다 SRB의 바람직한 억제를 얻기 위해 훨씬 더 적은 몰리브덴산염이 필요하다.
따라서 질산염 및/또는 아질산염 및 몰리브덴산염의 조합은 공지된 몰리브덴산염 단독 사용보다 이점을 제공한다. 특히 막대한 량의 몰리브덴산염은 단독 사용시 3000ppm 이상으로 필요하며, 반면 몰리브덴산염은, 질산염 및 아질산염 이온과 함께 사용시, 단지 약 1 내지 약 200ppm, 바람직하게 약 5 내지 약 100ppm이 필요하다. 첨가할 몰리브덴산염은 임의의 몰리브덴산염 염 또는 화합물 형태일 수 있으며, 이것은 몰리브덴산염 이온을 생산한다. 현재 몰리브덴산 나트륨 및 리튬이 경제성 및 이용 가능성 때문에 사용되고 있다.
따라서 본 발명은 증강 오일 회수에 사용되는 수성 시스템 20을 처리하는데 사용할 수 있다. 본 발명은 지하 형성에 존재하는 황화수소의 량을 감소시키며, 이는 정련 및 부식을 방지한다.
1: 설비
10: 통합시스템
20: 수성 시스템
30: 추출장치
31: 펌프
32: 압축기
33: 공기 분리기
40: 반응기
41: 암모니아 반응기
42: 화학 반응기
50: 공급장치
52: 수송로
60: 컨트롤러
70: 센서

Claims (20)

  1. 질산염 이온을 현지 생산하여 수성 시스템과 접촉시키는 설비로서, (A) (i) 상기 설비에 근접되게 존재하는 물 및 천연가스를 추출하고, 상기 설비에 존재하는 주위 공기로부터 산소 및 질소를 추출하는 추출장치, 및 (ii) 물, 천연 가스, 산소 및 질소를 가공 처리 및 반응시켜 질산염 이온을 형성하는 화학 반응기로 이루어진 통합 시스템; 및 (B) 상기 수성 시스템에 상기 통합 시스템을 상호 연결하며, 상기 질산염 이온을 상기 수성 시스템과 접촉시키는 공급 장치를 포함하는 설비.
  2. 제1항에 있어서, 상기 추출 장치, 상기 화학 반응기 및 상기 공급 장치의 각각에 작동 가능하게 연결되어 있으며 또한 질산염 이온 생산의 속도 및 용적을 제어하도록 고안된 컨트롤러를 추가로 포함하는 설비.
  3. 제1항에 있어서, 상기 추출 장치가 물 및 천연가스 중 적어도 하나로부터 선택된 유체를 수득하기 위한 펌프; 공기를 압축하기 위한 압축기, 및 상기 압축 공기로부터 질소를 생산하기 위한, 상기 압축기에 연결된, 공기 분리기를 추가로 포함하는 설비.
  4. 제1항에 있어서, 상기 화학 반응기가 하버 타입 공정을 수행하도록 고안된 암모니아 반응기; 및 오스트왈드 타입 공정을 수행하도록 고안된 화학반응기를 포함하는 설비.
  5. 제1항에 있어서, 상기 공급장치가 (i) 상기 통합 시스템으로부터 상기 수성 시스템으로 확장하는 송수로, 및 (ii) 상기 이온을 상기 송수로를 통하여 상기 수성 시스템으로 이동하는 펌프를 추가로 포함하는 설비.
  6. 제3항에 있어서, 상기 수성 시스템에서 상기 이온의 농도를 모니터링 하기 위한, 상기 컨트롤러에 작동 가능하게 연결된, 센서를 추가로 포함하는 설비.
  7. 제1항에 있어서, 상기 통합 시스템이 상기 통합 시스템을 수송하기 위한 스키드 또는 휠을 추가로 포함하는 설비.
  8. 제1항에 있어서, 상기 통합 시스템의 크기가 상기 설비요건에 부합하도록 변형된 설비.
  9. 질산염 이온을 현지 생산하여 수성 시스템과 접촉시키는 설비로서, (A) (i) 상기 설비에 근접한 물 및 천연가스를 추출하고, 상기 설비에서 주위 공기로부터 산소 및 질소를 추출하는 추출장치, 및 (ii) 물, 천연 가스, 산소 및 질소를 가공 처리 및 반응시켜 질산염 이온을 형성하는 화학 반응기로 이루어진 통합 시스템; (B) 상기 수성 시스템에 상기 통합 시스템을 상호 연결하며, 상기 이온을 상기 수성 시스템과 접촉시키는 공급 장치; (C) 상기 추출 장치, 상기 화학 반응기 및 상기 공급 장치의 각각에 작동 가능하게 연결되어 있으며 또한 질산염 이온 생산의 속도 및 용적을 제어하도록 고안된 컨트롤러; 및 (D) 상기 수성 시스템에서 상기 이온의 농도를 모니터링 하기 위한, 상기 컨트롤러에 작동 가능하게 연결된, 센서를 포함하는 설비.
  10. 설비에서 질산염 이온을 현지에서 생산하여 상기 질산염 이온을 상기 설비 에 근접한 수성 시스템과 접촉시키는 방법으로서, 상기 설비에 근접한 공기로부터 산소 및 질소를 추출하며, 상기 설비에 근접되게 존재하는 물 및 천연가스를 수득하며, 상기 수득된 산소, 질소, 물 및 천연 가스를 반응시켜 질산염 이온을 형성하며, 상기 질산염 이온을 상기 설비에 근접한 상기 수성 시스템과 접촉시키는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 수성 시스템에서 질산염 이온의 농도를 모니터링 하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 질산염 이온과 접촉하는 상기 수성 시스템이 황산염 환원 박테리아를 함유하는 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 질산염 이온과 접촉하는 상기 수성 시스템이 탈질 미생물 및 황화물 산화 미생물을 함유하는 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 질산염 이온이 상기 수성 시스템에 첨가되기 전에, 이와 동시에 또는 그 후에 탈질 미생물을 상기 시스템에 첨가하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 수성 시스템이 질산염 이온과 한번 접촉하는 배치식 공정인 방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 수성 시스템이 질산염 이온과 반복적으로 접촉하는 연속식 공정인 방법.
  17. 제10항에 있어서, 자연히 접촉할 상기 수성 시스템이 탈질 미생물을 위한 탄소원 영양소를 포함하는 방법.
  18. 제10항에 있어서, 상기 탈질 미생물을 위한 탄소원 영양소가 상기 질산염 이온을 상기 수성 시스템에 첨가하기 전에, 이와 동시에 또는 그 후에 상기 수성 시스템에 첨가되는 방법.
  19. 설비에서 질산염 이온을 현지에서 생산하여 수성 시스템 내에 황화 수소의 형성을 방지하는 방법으로서, 상기 설비에 근접한 공기로부터 산소 및 질소를 추출하며, 상기 설비에 근접되게 존재하는 물 및 천연가스를 수득하며, 상기 수득된 산소, 질소, 물 및 천연 가스를 반응시켜 질산염 이온을 형성하며, 탈질 박테리아의 성장을 설정 및 증가시키는데 충분한 농도로 상기 질산염 이온을 상기 설비에 근접한 상기 수성 시스템과 접촉시키며, 또한 상기 수성 시스템 내의 질산염 이온의 농도를 모니터링 하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 설비에서 질산염 이온을 현지에서 생산하여 수성 시스템에서 황화 수소의 회수를 증강하는 방법으로서, 상기 설비에 근접한 공기로부터 질소를 추출하며, 상기 설비에 근접되게 존재하는 물 및 천연가스를 수득하며, 수득된 산소, 질소, 물 및 천연 가스를 반응시켜 질산염 이온을 형성하며, 오일 회수를 증강하는데 충분한 농도로 상기 질산염 이온을 상기 설비에 근접한 상기 수성 시스템과 접촉시키며, 또한 상기 수성 시스템 내의 질산염 이온의 농도를 모니터링 하는 단계를 포함하는 방법.
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