KR20110137371A - 수처리 시스템을 위해 질산염을 현장 생산하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents
수처리 시스템을 위해 질산염을 현장 생산하기 위한 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 단독으로 장치의 근접한 위치에서 추출된 주변 공기를 사용하여, 질소 화합물을 생성시키는 전기 플라즈마 아크 장치 및 방법에 관한 것이다. 질소 화합물은 수처리 시스템과 접촉하여 질산염을 현장에서 생성시킨다. 수처리 시스템 중에 존재하는 황화수소는 제거되고, 황산염-환원 세균 (SRB)에 의한 황화수소의 생성은 질산염을 시스템 내로 도입시킴으로써 제거되어, 탈질소 미생물이 질산염을 사용하여 이용가능한 탄소 영양물질에 대한 황산염-환원 세균를 억제하여, SRB가 황화수소를 생성시키는 것을 방지한다. 탈질소 미생물을 함유하는 수처리 시스템에서 발생되는 질산염 이온은 미생물 향상 오일 회수 메커니즘에 의해 오일 회수를 생성시킬 수 있다. 또한, 전기 플라즈마 아크 장치 및 방법은 질산염의 수송 및 저장포함하는 통상적인 처리 기술의 주요 비용 및 천연 가스 및 물의 연속 공급에 대한 필요성을 배제한다.
Description
명세서, 도면, 특허청구범위 및 요약서를 포함하는 2009년 4월 3일자 출원된 미국 우선권 출원번호 제12/418,006호가 본원에 참고문헌으로 인용되어 있다.
본 발명은 특히 유전 분야와 관련하여, 수용성 질산염 이온 (NO3 -)을 수득하는 산화질소 (NO) 및 이산화질소 (NO2)의 현장 생산을 위한, 그리고 질산염 이온을 수처리 시스템과 접촉시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
일차 오일 회수는 일반적으로 주어진 지질학적 구조 또는 저장소가 함유하는 것의 50% 미만을 수득한다. 따라서, 많은 지하 오일 저장소를 포함하는 다공질암 형성물로부터의 오일 회수를 향상시키기 위해 물 주입이 사용된다. 향상된 오일 회수에서, 수용액을 오일 저장소 내로 주입하기 위해 수처리 시스템이 사용된다. 수처리 시스템은 장치가 설치된 지상 설비, 또는 오일 및 가스 웰, 오일 -물 분리기, 물 저장 탱크, 수처리 탱크, 파이프라인 및 주입 웰, 수처리 설비 또는 물 수송 장비와 같은, 수용액을 수집하거나 분배하는 일부 설비를 포함할 수 있다. 주입 공정은 황화수소 (H2S)를 생성시키는 것으로 공지되어 있지만, 이는 오일 및 가스 저장소는 물론, 오일 및 가스 회수 작업과 관련된 수처리 시스템 및 장비를 손상시킨다.
황화수소는 수처리 시스템 및 오일 및 가스 저장소에서 가용성 황산염 (SO4)를 황화수소로 전환시키는 황산염-환원 세균 (SRB)에 의해 생산된다. 이러한 세균은 오일에 대한 드릴링 동안 발생할 수 있지만, 이들은 또한 드릴링 전에 자생적으로 존재할 수 있으며, 거의 모든 유전 작업의 수성상으로 존재하는 것으로 공지되어 있다. 이들 세균 및 유전에 대한 이들의 영향은 예를 들어 J. R. Postgate, The Sulphate -Reducing Bacteria 2nd ed. (Cambridge University Press, 1984)에 기술되어 있다.
황화수소 (H2S)를 갖는 황산염-환원 세균 (SRB)에 의한 오일 및 가스 저장소 및 수처리 시스템의 오염은 석유 산업에 대한 주요 작업 문제점 및 비용 문제점이 되고 있다. 바람직하지 않은 양의 황화수소의 존재는 오일을 회수하기 위해 사용되는 장비의 심한 건강 및 안전 위험, 심한 부식을 야기시키고, 침전되는 황화철 입자의 생성에 의해 유전의 생산 능력을 급격히 손상시키고, 회수 장비 및 오일 및 가스 저장소의 막힘을 야기하여 오일 용량을 감소시키고 회수된 원유의 상업적 가치를 저하시킬 수 있다. 따라서, 황화수소의 생성을 방지하고/거나 유전 분야에서 생성되면 황화수소를 제거하는 것과 관련하여 집중적 조사가 이루어졌다.
영향받은 오일 및 가스 저장소 및 수처리 시스템으로 질산염 처리는 존재하는 H2S를 분해하고 H2S의 추가의 발생을 방지하는 데에 효과적이다. 예를 들어, SRB를 함유하는 시스템에 질산염 및 질산염 화합물의 첨가가 시스템에서 SRB의 양을 감소시키고 따라서 SRB에 의해 생성되는 황화수소의 양을 감소시키 것으로 알려져 있다. 상기 방법은 유전 물 중에 존재하는 티오바실러스 속 (Thiobacillus denitrificans) 및 다른 탈질소 미생물의 균주에 의존한다. 예를 들어, 수처리 시스템에 존재하는 황화수소는 제거되고, 황산염-환원 세균에 의한 황화수소의 생성은 질산염을 시스템에 도입시킴으로써 방지되어, 탈질소 미생물이 질산염을 이용하고, SRB가 황화수소를 생성시키는 것을 방지하는 여러가지 메커니즘 및 조건을 발생하게 된다.
이를 위한 질산염은 대표적으로 암모니아를 산화시킴으로써 제조되거나 통상적인 실시에 의해 채굴되고, 생성된 건조 질산염은 운반되고, 액체 용액 내로 배합되고, 사용을 위해 유전 또는 다른 원격 사이트에 대해 매우 근접한 위치에 저장된다. 공급 체인을 통한 건조 질산염 화합물의 제조 및 이동의 수송 체인은 많은 안전성 및 건강 문제점을 가지며, 사용 지점으로의 질산염의 부족 및 간헐적인 공급 또는 완전 비공급을 유도하면서 불필요하게 비싼 것으로 입증되었다. 현재, 질산염은 (1) 제조 플랜트로부터 건조 상태로 공급되고, (2) 레일, 트럭 및 해양 운송을 포함한 다양한 수단에 의해 수송되고, (3) 필요할 때 까지 창고에 저장된다.
다량의 건조 질산염 또는 용액 중의 질산염의 배합물의 수송 및 저장은 많은 안전성 및 비용 문제점을 야기시킨다. 필요하게 되면, 질산염은 배합 플랜트로 수송되어 유용한 생성물로서 물과 배합되고, 질산염 제조의 근원으로부터 멀리 떨어져 있는 연안 및 멀리 있는 육지 장소에 가장 자주 위치하는 오일 및 가스 생산 작업에 공급하기 위해 다시 수송된다.
질산염 제조의 통상적인 방식은 하버 (Haber) 공정을 사용하고, 제조의 중요한 성분으로서 천연 가스의 일정한 공급원에 의존한다. 제조 플랜트는 질산염의 비용에 직접 관련하는 천연 가스에 대한 가격에 의존한다. 새로운 하버형 제조 플랜트는 건설하는데 수억 달러 및 수년을 필요로 하며, 전략적으로 천연 가스의 신뢰할 수 있는 공급원 근처에 위치해야 한다. 수송, 저장 및 배합 비용이 또한 현저히 증가하였다. 결과적으로, 질산염 가격은 사상 최고치이며, 수요가 계속 증가하기 때문에 시간에 따라 증가되는 것으로 기대된다.
따라서, 황화수소의 생성을 방지하고/거나 수처리 시스템 및 수처리 시스템에 의해 공급되는 오일 및 가스 저장소에서 특정한 현재 황화수소를 제거하기 위해, 질산염을 국부적으로 생성시키고 이를 수처리 시스템과 접촉하도록 하기 위한 경제적이고 효율적인 수단에 대한 필요성이 존재한다. 추가로, 질산염을 국부적으로 생성시키고, 질산염을 오일의 회수에 유용한 수처리 시스템과 접촉하도록 하여, H2S 오염이 오일 회수 공정에 사용되는 저장소 또는 장비에 역효과을 주지 않도록 할 필요성이 있다.
발명의 요약
이들 및 다른 필요성과 관련하여, 본 발명은 질소 화합물을 현장에서 생산하고 수처리 시스템과 접촉되게 하는 시스템을 제공한다. 본 발명의 시스템은 (A) (i) 주변 공기를 흡수하는 압축 장치 및 (ii) 주변 공기 중에 존재하는 산소 및 질소를 처리하고 반응시켜 질소 화합물을 생성시키는, 압축 장치에 연결된 전기 플라즈마 반응기로 이루어진 통합 시스템, (B) 질소 화합물을 수처리 시스템에 접촉시켜서 질산염을 생성시키기 위해, 상기 통합 시스템을 상기 수처리 시스템에 상호연결시키는 전달 장치, 및 (C) 질소 화합물과 조합하여 수처리 시스템으로부터 물을 수용하는 오일 및 가스 저장소를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일면은 주변 공기로부터 산소 및 질소를 수득하고, 주변 공기 중에 존재하는 산소 및 질소를 전기 플라즈마 아크 반응기로 처리하고 반응시켜서 질소 화합물을 생산하고, 상기 질소 화합물을 수처리 시스템과 접촉시켜 질산염을 생성시키고, 질소 화합물과 조합하여 물을 오일 및 가스 저장소에 전달하는 것을 포함하여, 질소 화합물을 설비에서 생성시키고 질소 화합물을 설비의 근접한 위치에서 수처리 시스템과 접촉시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 SRB에 의한 황화수소 발생을 조절하고, 사전 생성된 황화수소를 수처리 시스템에서 제거할 필요성이 존재하는 어디에서나 사용될 수 있다. 황화수소는 오일 회수 공정 설비를 부식시키며, 생산 설비를 막고 오일 및 가스 저장소를 막아 오일 용량을 감소시켜서 생산된 오일의 시장 가치를 저하시키는 황화철 침전물을 형성시킴으로써 설비의 오일-회수 능력에 대한 심한 손상을 야기시킬 수 있다. 따라서, 수처리 적용분야에서, 파이프라인, 탱크, 및 다른 물 취급 설비 및 장비 중의 H2S의 존재는 조절되어야 한다. 수처리 적용 분야에서 질산염 및 질산염 용액의 첨가는 사전 생성된 H2S의 제거에 영향을 주며, 그 외에, 시스템 중에 존재할 수 있거나 유전의 드릴링 작업 동안과 같이 나중에 첨가될 수 있는 SRB에 의한 H2S의 추가의 발생을 방지한다.
이를 위한 질산염은 대표적으로 채굴되거나 암모니아를 산화시킴으로써 제조되며, 통상적인 작업에 의해 , 건조 형태로 수송되고, 액체 용액 내로 혼합되고, 처리 및 사용을 위해 유전 또는 다른 원격 사이트에 매우 근접되게 저장된다. 질산염 및 질산염 용액을 수송하고, 배합시키고 저장하는 것과 관련된 수반되는 기술적, 안전성 및 비용 문제점은 질산염의 현장 생산을 제공함으로써 방지된다. 질산염을 현장에서, 즉 설비의 근접한 위치에서 생산하기 위해서는, 다수의 화학 반응을 수행하기 위한 시스템이 설비와 근접되게 위치한다. 시스템은 최소한 물, 천연 가스 및 주변 공기를 필요로 하며, 이들은 모두 설비에서 유용한 양으로 존재해야 한다. 시스템은 물, 천연 가스 및 공기를 추출하며, 이들 3가지를 처리하기 위해 화학 반응기를 사용하여 질산염 이온을 생성시킨다. 대표적으로, 화학 반응기는 상기 언급된 하버 화학 공정, 및 당분야에 또한 공지된 오스트발트 (Ostwald) 공정의 실행을 필요로 한다. 다음에 이와 같이 생성된 질산염 이온은 상기 설비에 위치한 파이프라인 또는 탱크와 같은 수성 시스템과 접촉하게 될 수 있다.
상기 시스템이 다량의 질산염의 수송 및 저장에 관한 여러가지 문제점을 해결하지만, 질산염의 현장 생산의 문제는 고유의 장애를 제공한다. 첫 번째로, 상기 기술된 시스템은 여러가지 원료가 존재하고 또한 사용하기 쉬운 것을 필요로 한다. 즉, 물 및 천연 가스의 공급이 존재해야 하고, 물 및 천연 가스를 추출하는 시스템이 존재하거나 생성되어야 한다. 두 번째로, 질산염을 얻기 위한 획득된 유입물의 반응은 착화 공정이다. 이 공정은 각각 온도 및 압력의 변화를 필요로 하는 몇가지 단계를 갖는다.
원칙적으로, 하버/오스트발트 공정에 대한 대안은 전기 플라즈마 아크에 의해 수행되는 비르켈란-아이드 (Birkeland-Eyde)형 공정이다. 전기 플라즈마 아크에서, 가스 분자가 플라즈마를 가로질러 이동하는 경우, 이는 상이한 불안정성 및 고반응성 화학 종의 스트림으로 구성되는 고도로 이온화된 가스를 생기게 한다. 한 구현예에 따라, 전기 플라즈마 아크는 질소 및 산소를 함유하는 공기를 산화질소로 전환시키며 (N2 + O2 → 2NO), 다음에는 산화되어 이산화질소를 생성시킨다 (2 NO+O2→ 2NO2). 이산화질소는 물 중에 용해되어 질산을 유발시킨다 (3NO2+H2O → 2HNO3+NO). 따라서, 하버/오스트발트 공정과 대조적으로, 전기 아크 공정에 대한 유일한 인풋(input)은 전기 에너지이다.
하버/오스트발트 공정은 통상적인 전기 플라즈마 아크가 상당한 양의 에너지를 필요로 하고 하버/오스트발트 공정과 비교하여 낮은 질산염 유출물을 갖기 때문에, 예를 들어, 합성 비료 생성에서 역사적 비르켈란-아이드 공정에 대한 대안으로서 사용되어 왔다. 오일 웰 및 수처리 분야에서, 생성된 비료 (예를 들어, 질산염)의 준비된 응용이 발견될 수 있는 위치에서 매일 질산염 요건은 비교적 낮고, 에너지의 큰 공급원이 대표적으로 오일 웰 또는 수처리 자리에서 이용될 수 있다. 팩터들의 상기 조합이 전기 플라즈마 공정에 의한 질산염의 현장 생산에 매우 바람직하다. 추가로, 황화수소 방지 및 향상된 오일 회수 분야에서, 더 큰 에너지 소비의 수용은 질산염의 해양 수송 및 저장에 경제적으로 바람직하게는 물 및 천연 가스의 연속 공급에 의존하는데 경제적으로 바람직하다. 본 발명에 따라, 전기 플라즈마 아크 공정에 의한 질산염 이온의 현장 생산의 제공은 이러한 의존성에 대한 필요성을 배제한다.
상기 기술된 바와 같이, 전기 플라즈마 아크 반응기를 갖는 시스템은 주변 공기 중에 존재하는 질소 및 산소를 반응시켜서 질소 화합물을 생성시킬 것이다. 이들 질소 화합물이 수처리 시스템 중에 존재하는 물과 접촉하게 되는 경우, 질산염 이온은 상기 기술된 방식으로 생성된다. 수처리 시스템 내의 질산염 이온의 존재는 황화수소 생성을 감소시키고 방지하며, 오일 특수한 적용 분야에서, 오일 회수율은 향상시킨다. 추가로, 시스템은 질산염의 수송 및 저장을 포함하는 통상적인 기술의 주요 비용, 및 천연 가스 및 물의 연속 공급에 대한 필요성을 제거한다.
본 발명의 장치 및 방법은 H2S 감소 또는 유전 분야로 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명은 물을 함유하거나 수성 상을 갖는 매립 장소, 냉각탑 물, 석탄 슬러리 파이프라인 및 다른 탱크, 파이프라인 또는 설비에서 황화수소를 제어하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 장치 및 방법은 물이 지하로 유입되는 채취장, 물 오염 연못 또는 물 주입 시스템에서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 접근법은 채굴 산업에서의 적용을 위해, 예를 들어 금속 회수 (생물학적 침출) 및 산 채굴 배수를 제거하기 위해, 하수와 같은 폐수 시스템을 처리하기 위해, 해양 수송 및 다양한 다른 환경적 적용에서 H2S-오염 밸러스트 물을 처리하기 위해 적합하다.
도 1은 본 발명의 한 구현예에 따르는, 질산염을 현장에서 생성시키고 수처리 시스템과 접촉시키는 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따르는, 전기 플라즈마 아크 반응기의 블록 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 한 구현예에 따르는, 전달 장치의 블록 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 한 구현예에 따라 질산염을 국부적으로 생성시키기 위한 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따르는, 전기 플라즈마 아크 반응기의 블록 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 한 구현예에 따르는, 전달 장치의 블록 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 한 구현예에 따라 질산염을 국부적으로 생성시키기 위한 방법을 예시하는 흐름도이다.
장치
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 구현예에 따라, 시스템은 현장에서 질소 화합물을 생성시키고, 수처리 시스템 (20)에서 질산염을 생성시킨다. 수처리 시스템 (20)은 장치가 장착된 지상 설비, 또는 오일 및 가스 웰, 오일-웰 분리기, 물 저장 탱크, 파이프라인 및 주입 웰과 같은 수용액을 수집하고 분배하는 장비를 포함할 수 있다. 한 구현예에 따라, 수처리 시스템 (20)에 존재하는 물의 공급원은 해수, 재순환된 생성된 물 또는 대수층 물(aquifer water)일 수 있다. 한 구현예에 따라, 수처리 시스템 (20)은 SRB 및/또는 탈질소 미생물, 및 질소 화합물이 수처리 시스템 (20)과 접촉하기 전에 미생물을 산화시키는 황화물을 함유한다. 추가 구현예에서, 수처리 시스템 (20)은 자생적으로 탈질소 미생물에 대한 탄소원 영양물질을 포함한다.
도 1에 도시된 통합 시스템 (10)은 주변 공기 (질소 및 산소)를 흡수하기 위한 압축 장치 (30)을 포함한다. 한 구현예에 따라, 통합 시스템 (10)은 비교적 작아서 필요에 따라 다양한 수처리 시스템 (20)에 그리고 이로부터 쉽게 수송될 수 있게 된다. 예를 들어, 통합 시스템 (10)은 약 5 피트 × 2 피트 × 3 피트의 통상적인 오리피스 데스크의 크기를 가질 수 있다. 또 다른 구현예에 따라, 통합 시스템 (10)의 크기는 수처리 시스템 (20)의 크기 및 질산염 요건을 조정하도록 증가 또는 감소도될 수 있으며, 이에 의해 수처리 시스템이 작동할 것이다. 또한, 통합 시스템 (10)은 통합 시스템 (10)이 다양한 장소로 쉽게 수송되도록 하는 휠 및/또는 스키드를 가질 수 있다.
통합 시스템 (10)은 또한 주변 공기로부터의 산소 및 질소를 반응시켜서 질소 화합물을 생성시키는 전기 플라즈마 아크 반응기 (40)을 포함한다. 전기 플라즈마 아크 공정은 질소 및 산소를 반응시키고 처리하여 산화질소 (NO) 및 이산화질소 (NO2)와 같은 질소 화합물을 얻는 공정 일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 한 구현예에 따라, 전기 플라즈마 아크 반응기 (40)는 전극 (41), 챔버 (42) 및 포트 (43, 44)를 포함한다. 포트 (44)는 공기 (질소 및 산소)를 챔버 (42)에 공급한다. 바람직하게는, 외부 전력원은 고전압 전류를 전기 플라즈마 아크 반응기 (40)에 공급한다. 전극 (41)은 고전압 아크 발생을 야기시키는 챔버 (42) 내의 수용된 전류를 방전시킨다. 아크 발생은 질소 및 산소 분자를 효과적으로 분열시켜서 질소 산화물 (NO, NOx)를 생성시킨다. 전기 플라즈마 아크 반응기 (40)는 새로 생성된 질소 산화물을 포트 (43)을 통해 방출시킨다.
반응기 (40)에 연결된 전달 장치 (50)은 생성된 질소 화합물을 수처리 시스템 (20)과 접촉시킨다. 한 구현예에 따라 그리고 도 3에 예시된 바와 같이, 전달 장치 (50)은 반응기 (40)에 의해 생성된 질소 화합물을 송수로 (52)를 통해 수처리 시스템 (20) 내로 펌핑시키기 위한 펌프 (51)을 포함한다.
수처리 시스템 (20)은 저장소 (60)을 제공한다. 저장소 (60)은 황화수소 제어 및/또는 향상된 오일 회수를 필요로 하는 임의의 구조 또는 환경일 수 있다. 바람직하게는, 저장소 (60)은 오일 및 가스 저장소이다. 한 구현예에 따라, 저장소 (60)은 매립 장소, 하수 설비 또는 지면 물 저장 설비의 위 또는 아래에 있는 곳일 수 있다.
제어기 (70)가 압축 장치 (30), 반응기 (40) 및 전달 장치 (50)에 작동적으로 연결된다. 제어기 (70)은 질산염 생성의 속도 및 용량을 조절한다. 수처리 시스템 (20)에서 질산염의 농도를 감시하기 위한 센서 (80)이 제어기 (70)에 작동적으로 연결된다.
작동
질소 화합물을 통합 시스템 (10)의 매우 근접되게 수처리 시스템 (20)과 접촉시킴으로써 질산염을 현장 생산하는 방법이 설명될 것이다. 바람직하게는, 휴대용 통합 시스템 (10)이 처리를 필요로 하는 수처리 시스템 (20)과 매우 근접하게 위치한다. 한 구현예에 따라 그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 통합 시스템 (10)의 압축 장치 (30)는 주변 공기를 흡수하고, 산소 및 질소를 전기 플라즈마 아크 반응기 (40)에 제공한다.
도 4의 단계 (120)에 도시된 바와 같이, 전기 플라즈마 아크 반응기 (40)은 주변 공기 중에서 질소 및 산소를 처리하고 반응시켜서 산화질소 이온 (NO)를 생성시킨다. 주변 공기는 압축되고, 전력과 함께 전기 플라즈마 아크 반응기 (40)의 챔버 (42)의 한 말단 내로 주입되어, 2,000℃를 초과하는 고온 플라즈마 아크를 생성시키는 공기의 소용돌이를 생성시킨다. 석탄 및 가스 연료 플랜트, 또는 바람, 태양 또는 하이드로 (물)과 같은 재생성 공급원을 포함하는 임의의 전력원이 사용되어 반응을 유도할 수 있다. 공기 중의 질소 및 산소는 상기 온도에서 반응하여 산화질소를 생성시킨다 (N2 + O2 + 열 → 2NO). 파이프 벽 다음의 더 차가운 공기는 파이프의 축을 따라 아크를 함유하고 이산화질소의 생성을 촉진시킨다 (2 NO + O2 → 2NO2).
도 4의 단계 (130)에 도시된 바와 같이, 전기 플라즈마 아크 반응기 (40)에 의해 생성되는 질소 화합물은 전달 장치 (50)을 통해 수처리 시스템 (20)과 접촉하게 된다. 생성된 산화질소 및 이산화질소 화합물이 수처리 시스템 (20) 내로 도입되는 경우, 상기 화합물은 용해되고 질산염을 생성시킨다 (3 NO2 + H2O → 2HNO3 + NO). 질소 화합물은 배치식 또는 연속식으로 수처리 시스템 (20)에 첨가될 수 있다. 본 발명의 한 구현예에 따라, 수처리 시스템 (20)은 질소 화합물과 한번 접촉한다. 대안적으로, 수처리 시스템 (20)은 질소 화합물로 반복적으로 처리된다. 처리 방법의 선택은 처리하려는 시스템에 의해 조절된다. 따라서, 단일 오일 웰이 처리되는 경우, 질산염 및 아질산염의 단일 배치 주입이 가장 편리할 수 있다. 그러나, 전체 수처리 시스템이 처리되는 경우에는, 연속 공정이 최선일 수 있다.
제어기 (70) 및 센서 (80)은 물 중의 질산염의 농도 (단계 140)을 조절하고 감시한다. 통합 시스템 (10)을 사용하게 되는 응용 (예를 들어, H2S 감소, 향상된 오일 회수)은 제어기 (70) 및 센서 (80)이 작동할 방식을 결정할 것이다. 제어기 (70) 및 센서 (80)의 작동은 자동화될 수 있다. 또한, 제어기 (70) 및 센서 (80)은 원격으로 감시되도록 배열될 수 있다. 자동화 및 원격 감시는 개선된 안전성 측정을 촉진시킨다. H2S 감소 및 향상된 오일 회수에 대한 고려가 또한 하기에 기술된다.
황화수소 감소
본 발명의 한 일면에 따르는 H2S 감소에 대해, SRB와 함께 수처리 시스템 (20) 내에 정상적으로 존재하는 탈질소 미생물의 성장을 촉진하기 위하여 충분한 질산염이 생성되는 것이 중요한 고려사항이다. 그러나, 이들 탈질소 미생물이 존재하지 않거나 충분한 양으로 존재하지 않는 경우, 이들은 질산염과 함께 수처리 시스템 (20)에 첨가될 수 있다. 탈질소균는 당분야에 공지되어 있으며, 문헌 [The PROKARYOTES: A HANDBOOK ON HABITATS, ISOLATION, AND IDENTIFICATION OF BACTERIA, Volumes 1-4 (Springer-Verlag, 1981)]에 예시되어 있다. 이들 세균은 최종 전자 수용체로서 질산염 또는 아질산염을 이용하며, 즉, 이들은 동물이 산소를 흡입하는 바와 같이 최종 전자 수용체를 흡입함으로써 에너지를 얻는다. 세균 중의 일부는 질산염 (NO3)을 NO2, N2O 및 N2로 전환시키며, 나머지는 이를 NH3로 전환시킨다. 탈질소균은 SRB가 이용하는 동일한 탄소/에너지원 상에서 성장할 수 있으며, 열역학적 및 생리학적 고려로 인해, 탈질소 세균는 탄소/에너지원에 대한 훨씬 더 우수한 경쟁자이어서, SRB 성장 및 후속 황화물 생성에 대한 이들의 사용을 거부한다. 다른 성장 조건 및 메커니즘은 또한 존재하는 황화수소를 파괴하고 SRB의 황화물 생성 능력을 차단하는 탈질소 세균에 의해 달성된다. 상기 기술된 원칙을 사용하는 당업자들은 생성시키려는 질산염의 적절한 양을 쉽게 결정하여 임의의 사전 생성된 황화수소를 제거하고, SRB가 추가적 황화수소를 생성시킬 수 있다.
향상된 오일 회수
본 발명의 또 다른 구현예에 따라, 제어기 (70)은 수용액을 오일 저장소에 공급하여 미생물 작용에 의해 향상된 오일 회수로서 또한 공지된 향상된 오일 회수를 수행하는 수처리 시스템 (20)에 생성되는 질산염의 농도를 결정한다. 질산염에 의해 자극되는 탈질소 미생물은 미생물 향상 오일 회수 공정 동안 물 전환, 바이오 중합체, 바이오 용매, 바이오 계면활성제, 바이오가스 등과 같은 대사 생성물 및 메커니즘을 생성시키는 제제로서 작용할 것이다. 즉, 탈질소 세균 및 이러한 세균의 생성물은 물을 우선적으로 저투과성 영역 내로 우회시켜서 오일의 향상된 변위를 유발시키는 고투과성 영역에서 발생하는 물 전환을 포함하는 상기 기재된 메커니즘에 의한 오일의 방출을 유발시킨다.
따라서, 수처리 시스템 (20)에서의 탈질소균의 성장은 존재하는 황화수소를 제거하고 추가적 황화수소의 생성을 방지할 뿐만 아니라, 미생물 작용 공정에 의해 오일 회수 향상에 사용될 수 있는 수처리 시스템 (20)에서 이루어진다. 질산염은 오일 회수 단계 전 또는 동안 수처리 시스템 (20)에서 생성되어, 황화수소가 지하 형성물에 들어가지 못하게 된다. 수처리 시스템 (20)은 그 자체로 공지된 향상된 오일 회수 공정에 사용될 수 있다. 예를 들어, 처리된 수처리 시스템 (20)은 증가하는 오일 생성에 도움을 주는 것으로 모두 공지된 상기 언급된 바이오 계면활성제, 바이오 용매, 바이오 중합체 및 바이오가스를 포함하는 조건, 메커니즘 및 생물제제를 생성시키는 미생물 작용 및 대사를 통해 오일을 형성물로부터 변위시키기 위해 지하 오일 함유 형성물을 주입하기 위해 사용된다. 황화수소가 감소되거나 없는 수처리 시스템 (20)은 황화철 침전물의 막힘 작용이 제거되고 대표적으로 오일 회수 작업의 비용을 증가시키고 궁극적으로 유전의 빠른 포기를 유도하는 생산 설비 부식이 덜 하기 때문에 오일을 회수하는 데에 더욱 효과적이다.
따라서, 본 발명은 향상된 오일 회수에 사용하기 위한 수처리 시스템 (20)에 적합하다. 본 발명은 지하 생성물 중에 존재하는 황화수소의 양을 감소시켜서, 오일 산패, 막힘 및 부식을 방지한다. 건조 질산염의 생성 및 수송에 관련된 건강 및 안전성 문제점은 건조 질산염이 제조되지 않고 반응기 생성 이온이 즉시 물에 의해 질산염으로 용해되기 때문에 해결된다. 현장 질산염 발생은 H2S 오염을 방지하고 오일 생성을 향상시키기 위해 필요한 질산염의 일정하고, 연속적이고 저비용의 공급을 보장할 것이다.
현장 질산염 생산의 특정 응용은 유전 및 가스전 사용에 관한 것이지만, 황화물 문제점이 갖거나 발생시키며, 생물 기원 황화물 생성으로부터 기인하는 작업적 부식 및 건강 및 안전성 문제점을 유도하는 다른 수성 환경에 사용될 수 있다. 예는 이들 자리로의 질산염의 수송 및 저장이 위험하고, 비싸고, 환경적으로 허용될 수 없거나 실시되지 않는 하수 플랜트 작업 및 매립이다. 바람, 물 또는 태양과 같은 깨끗한 재생성 공급원에의해 현장에서 또한 발생될 수 있는 공기 및 전력만을 필요로 하는 질산염의 현장 발생의 존재는 이러안 유닛을 질산염에 대한 필요성이 존재하지만 현장외 제조 및 수소 체인으로부터 질산염의 운반을 위해 실시되거나 경제적이지 않은 격리되거나 멀리 있는 장소에 매우 적합하게 만든다. 전기 플라즈마에 의한 현장 질산염 생성의 추가적 사용은 현장 비료 공급원으로서 다양한 농경지에서의 응용을 수반할 수 있는 공정이다.
(10) : 통합 시스템
(20) : 수처리 시스템
(30) : 압축 장치
(40) : 전기 플라즈마 아크 반응기
(50) : 전달 장치
(60) : 저장소
(70) : 제어기
(80) : 센서
(20) : 수처리 시스템
(30) : 압축 장치
(40) : 전기 플라즈마 아크 반응기
(50) : 전달 장치
(60) : 저장소
(70) : 제어기
(80) : 센서
Claims (22)
- 질소 화합물을 현장에서 생성시키고 수처리 시스템과 접촉하게 하는 시스템으로서,
(A) (i) 주변 공기를 흡입하는 압축 장치 및 (ii) 상기 주변 공기 중에 존재하는 산소 및 질소를 처리하고 반응시켜 상기 질소 화합물을 생성시키는, 상기 압축 장치에 연결된 전기 플라즈마 아크 반응기로 이루어지는 통합 시스템;
(B) 상기 질소 화합물을 상기 수처리 시스템과 접촉시켜 질산염을 생성시키기 위해, 상기 통합 시스템을 상기 수처리 시스템에 상호연결시키는 전달 장치; 및
(C) 상기 질소 화합물과 조합하여 상기 수처리 시스템으로부터의 물을 수용하는 오일 및 가스 저장소를 포함하는, 시스템. - 제 1항에 있어서, 상기 압축 장치, 상기 전기 플라즈마 아크 반응기 및 상기 전달 장치 각각에 작동적으로 연결되고, 상기 질소 화합물을 생성시키는 속도 및 용량을 제어하도록 배열된 제어기를 추가로 포함하는, 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 질소 화합물이 산화질소 NO 또는 이산화질소 NO2 중 하나 이상인, 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 수처리 시스템이 파이프라인, 탱크, 웰, 수처리 설비 또는 물 수송 장비 중 하나 이상을 포함하는, 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 전달 장치가 (i) 상기 통합 시스템으로부터 상기 수처리 시스템으로 연장하는 송수로, 및 (ii) 상기 질소 화합물을 상기 송수로를 통해 상기 수처리 시스템으로 이동시키기 위한 펌프를 추가로 포함하는, 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 수처리 시스템 중의 질산염의 농도를 감시하기 위한 센서를 추가로 포함하는, 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 통합 시스템을 수송하기 위한 스키드 또는 휠을 추가로 포함하는, 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 통합 시스템의 크기가 상기 수처리 시스템의 질산염 요건에 상응하도록 변형되는, 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 압축 장치, 상기 전기 플라즈마 아크 반응기 및 상기 전달 장치가 자동화되는, 시스템.
- 질소 화합물을 설비에서 생성시키고, 상기 질소 화합물을 상기 설비와 근접하게 수처리 시스템과 접촉시키는 방법으로서,
(A) 주변 공기로부터 산소 및 질소를 취하는 단계;
(B) 상기 주변 공기 중에 존재하는 산소 및 질소를 전기 플라즈마 아크 반응기로 처리하고 반응시켜서 상기 질소 화합물을 생성시키는 단계;
(C) 상기 질소 화합물을 상기 수처리 시스템과 접촉시켜 질산염을 생성시키는 단계; 및
(D) 상기 질소 화합물과 조합하여 물을 오일 및 가스 저장소로 전달하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 10항에 있어서, 상기 질소 화합물이 산화질소 NO 또는 이산화질소 NO2 중 하나 이상인, 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 수처리 시스템 중의 질산염 이온 (NO3)의 농도를 감시하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 질소 화합물을 상기 수처리 시스템과 접촉시켜, 황화수소를 제어하고 오일 회수를 향상시키기에 충분한 농도로 상기 수처리 시스템에서의 질산염 이온의 생성을 유발하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 수처리 시스템이 황산염-환원 세균를 함유하는, 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 수처리 시스템이 탈질소 미생물 및 황화물 산화 미생물을 함유하는, 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 질소 화합물에 의한 오염 전에 또는 상기 질소 화합물을 상기 수처리 시스템에 첨가한 후에 탈질소 미생물을 상기 수처리 시스템에 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 수처리 시스템을 상기 질소 화합물과 한번 접촉시키는 배치 방법인, 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 수처리 시스템을 상기 질소 화합물로 반복적으로 처리하는 연속 방법인, 방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 수처리 시스템이 자생적으로 상기 탈질소 미생물에 대한 탄소원 영양물질을 포함하는, 방법.
- 제 15항에 있어서, 상기 질소 화합물에 의한 오염 전에 또는 상기 질소 화합물을 상기 수처리 시스템에 첨가한 후에 상기 탈질소 미생물에 대한 탄소원 영양물질이 상기 수처리 시스템에 첨가되는, 방법.
- 질소 화합물을 현장에서 생성시키고 수처리 시스템과 접촉하게 하는 시스템으로서,
(A) (i) 주변 공기를 흡입하는 압축 장치 및 (ii) 상기 주변 공기 중에 존재하는 산소 및 질소를 처리하고 반응시켜 상기 질소 화합물을 생성시키는, 상기 압축 장치에 연결된 전기 플라즈마 아크 반응기로 이루어지는 통합 시스템;
(B) 상기 질소 화합물을 상기 수처리 시스템과 접촉시켜 질산염을 생성시키기 위한, 상기 통합 시스템을 상기 수처리 시스템에 상호연결시키는 전달 장치; 및
(C) 상기 질소 화합물과 조합하여 상기 수처리 시스템으로부터의 물을 수용하는 매립 장소를 포함하는, 시스템. - 질소 화합물을 현장에서 생성시키고 수처리 시스템과 접촉하게 하는 시스템으로서,
(A) (i) 주변 공기를 흡입하는 압축 장치 및 (ii) 상기 주변 공기 중에 존재하는 산소 및 질소를 처리하고 반응시켜 상기 질소 화합물을 생성시키는, 상기 압축 장치에 연결된 전기 플라즈마 아크 반응기로 이루어지는 통합 시스템;
(B) 상기 질소 화합물을 상기 수처리 시스템과 접촉시켜 질산염을 생성시키기 위한, 상기 통합 시스템을 상기 수처리 시스템에 상호연결시키는 전달 장치; 및
(C) 상기 질소 화합물과 조합하여 상기 수처리 시스템으로부터의 물을 수용하는 지하 물 공급원을 포함하는, 시스템.
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