KR20140128339A - 해양 중유 생산 - Google Patents
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Abstract
시스템은, 해저 저장소로부터 중질 원유의 생산을 위해 제공되고, 이의 수송을 촉진하기 위한 상기 원유의 처리를 위해 제공된다. 상기 중질 원유를 생산하는 플로팅 몸체(12)는, 상기 중질 원유를 가벼운 액체상의 및 기체상의 탄화수소로 분해하는 탄화수소 분해소(32)를 운반하며, 이는 압축 증기를 생산하기 위해 상기 분해의 결과인 열을 사용한다. 압축 증기는 전기 발전기(74)를 구동하는 증기-작동되는 엔진 (72) (피스톤 또는 터빈을 갖는)을 구동하는데 사용되며, 전기 발전기의 전기는 상기 시스템을 작동시킨다.
Description
해저 탄화수소 저장소 일부는 높은 비율의 중질 원유 (heavy crude oil) (탄화수소)를 함유하므로, (수많은 날들이 지난) 상기 저장소로부터의 산출(output)은 높은 점성을 갖고 물보다 높은 밀도의 탄화수소 50% 이상을 포함한다. 그러한 중질 원유는 일반적으로 분자당 적어도 60개의 탄소원자를 함유하고 및/또는 0.5 푸아즈 이상 규모 정도의 점성(a viscosity on the order of magnitude of over 0.5 poise) 을 갖는다. 다른 액체상 탄화수소 (경유 또는 가벼운 액체상 탄화수소)는 일반적으로 분자 당 약 5 내지 10 탄소 원자를 갖는다(경유). 분자 당 4 또는 5 미만의 탄소 원자를 갖는 탄화수소들은 일반적으로 기체이다. 중유 (Heavy oil) 탄화수소들은 다루기 어려우며, 저장 탱크 안으로 및 밖으로 펌핑하는 것이 어렵다. 상기 중질 원유 (heavy crude)는, 보통 가장 바람직한 탄화수소인 경유 (일반적으로 낮은 점성을 갖고 물보다 낮은 비중을 갖는 기름)를 생산하기 위해 정제소 내에서 분해될 수 있으나, 상기 정제소로 중질 원유를 수송하고 다루기 위한 상당한 노력이 요구된다. 중질 원유의 수송을 촉진하기 위해 중질 원유를 분해하고 파이프를 통하여 추가적인 정제 및 처리 시설로 수송하기 위한, 해양 중질 원유 생산 시설(offshore heavy crude oil production facility) 에 사용될 수 있는, 시스템은 가치 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 플로팅 탄화수소 생산 시설(floating hydrocarbon production facility)은, 해양 중질 탄화수소 저장고(offshore heavy hydrocarbon reservoir)에 가까이에 있는 해저에 닻을 내리도록 제공되며, 이는 수송을 촉진하고, 파이프를 통하여 수송하고 추가의 처리를 위해 상기 중질 탄화수소를 처리한다. 상기 시설은 유전물(well effluent)을 액체상의 경유(light liquid oil), 중질 원유, 기체상의 탄화수소, 물, 및 고체 물질들 (예를 들면 모래)로 분리하는 분리소(separation station) 를 포함한다. 상기 중유 (물보다 더 큰 비중을 갖고, 일반적으로 20 미만의 API를 갖는)는 상기 중질 원유를 경질 원유(light crude oil)로 분해하거나 분류하는 상기 플로팅 시설 상의 분해소(cracking station)로 넘어간다. 그러한 분해는 수많은 방법으로 성취될 수 있다. 하나의 접근은, "증기 분해"와 같은, 온도적 분해를 이용하는 것이며, 약 800 ℃ (650 내지 1000 ℃)에서의 증기가 상기 원유에 적용된다. 또 다른 접근은 (FCC 공정 또는 유체화된 탄소 분해를 사용하는 공정으로 언급되는) 미리 가열된 중유를 뜨거운 유체화된 촉매(hot fluidized catalyst) 에서 스프레이하여 상기 기름들이 다양한 경유로 분류되도록 하는 것이다. 상기 분해 방법은 많은 양의 뜨거운 압축된 증기 (pressured steam)를 요구하고, 더 많은 증기를 생산한다. 상기 공정들을 또한 상당한 양의 전기를 요구한다. 분해 공정에서 생산된 많은 양의 압축 증기는, 증기 엔진 (피스톤 또는 터빈)을 구동하는데 사용되며, 즉, 전기 발전기를 구동한다. 바다로부터의 물은 증기 엔진을 작동시키고 (증기로 변환하고, 증기 엔진을 통과한 후의 증기를 냉각하기 위해 물을 제공하는), 상기 분해 공정에서, 사용된다.
중유를 분해하기 위한 많은 다른 알려진 방법들이 있다.
본 발명의 신규한 특징은 특히 첨부된 청구항들에 제시되어 있다. 본 발명은 관련된 도면들과 함께 결합하여 읽을 때 다음의 서술들로부터 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은, 축소된 크기로 나타낸 탱커를 갖는, 본 발명의 해양 탄화수소 생산 시설의 도식도이다.
도 1은 본 발명의 생산 시설 (10)을 설명하며, 이는 해저 저장소(undersea reservoir) 또는 유전(well) (14)으로부터의 중질 원유 또는 중질 탄화수소를 처리하고 생산하는 처리 설비를 운반하는 플로팅 구조물(12) (floating structure)을 포함한다. 중질 원유는 20 미만의 등급의 API (American Petroleum Institute)를 갖는 기름인 것으로 여겨질 수 있고, 그래서 상기 기름은 물위에 뜬다. 그러한 기름은 일반적으로, 적어도 0.5 푸아즈 이상 규모 정도와 같은 고점성(high viscosity such as on the order of magnitude of at least 0.5 poise)을 가지며, 및/또는 분자 당 적어도 60개의 탄소 원소를 갖는 탄화수소를 갖는다. 상기 해저 저장소(seafloor reservoir)로부터의 유체는, 상기 유전쪽으로 아래로 연장된 배관 안쪽에 있거나 다운홀 캐이싱(downhole casing) 에 있는, 전기적으로-활성화되는 펌프 (electrically-energized pump) (20)를 통과한다. 상기 펌프는 수직관 (22)을 통하여 상기 유체를 관(vessel) 또는 해수면의 다른 플로팅 구조물 (12)로 올려 펌핑한다. 상기 기름의 일부는, 분해소 (32)로부터 해저(seabed)상의 "크리스마스 나무" (33) 쪽으로 도관 (30)을 통하여 넘어가고, 상기 유전(well)으로부터 중질 원유를 끌어올리는 것을 돕는, 경유이다. 상기 저장소로부터의 중유와 가스는 도관 (34)을 통하여 분리소 (36)로 넘어간다. 상기 분리소 (36)는 가스를 분리하고, 이는 임의적으로(optionally) 도관 (40)을 통하여 가스 터빈력 발전기 세트 (75)로 흐른다. 세트 (75)는 전기를 발생시키는 발전기 (74)를 구동하기 위해 증기(가스에 의해 생산될 수 있는)를 사용하는 엔진-발생기 세트 (engine-generator set)이다. 생산된 물은 파이프 (42)를 통하여 침전 탱크 (settling tank)(44)로 흐른다. 모래와 돌과 같은, 다른 비-탄화수소 물질은 처리 후에 바다로 방출한다.
도 1에서, 상기 분리소 (36)로 들어간 중질 원유는 도관 (50, 52)의 배출구 (51, 53)를 통하여 스테이션(station) (32)으로 운반되며, 이는 중질 원유를 경질 원유로 변환하는 분해소이다. 상기 분해소는 경질 원유를 분류하기 위해 뜨거운 (예를 들면 800 ℃) 모래를 사용하고, 초기에 열과 증기를 생산하기 위하여 소량의 탄화수소 가스와 희석제를 사용한다(The cracking station uses hot (e.g. 800℃) sand to break down heavy crude and uses a small amount of hydrocarbon gas and diluent to initially generate heat and steam). 상기 공정은 상기 모래를 재사용하고 추가적인 증기를 만드는 추가적인 열을 만들어낸다. 출원인은 아래 기술된 바와 같은, 추가적인 증기를 사용한다.
출원인은, 분리소 (36)로부터 중질 원유를 받아들이고 상기 분해소 (32)로 중질 원유를 운반할 수 있는, 중유 저장 탱크 또는 완충 (60)을 제공한다. 분해소 (32)의 최적의 운용은 상기 스테이션으로의 중질 원유의 안정된 흐름을 요구한다. 상기 도관 (34)을 통한 흐름이 감소할 때, 이러한 부족분은 상기 완충 탱크 (6)로부터 상기 분해소로의 흐름에 의해 형성된다. 상기 완충 탱크는, 1분에 상기 분해소로의 기름의 평균 흐름보다 더 많은 기름을 저장하는 용량(1,000 갤런 초과, 및 바람직하게는 5,000 갤런 초과)을 바람직하게는 갖는다. 상기 분해소에서 경유로 분해된 중질 원유는, 도관 (61)을 통하여 경유 저장 탱크 (62)로 운반되며, 상기 경유 저장 탱크로부터의 기름은 수송 시스템 (64)을 통하여 탱커 (66)로 또는 해저 상의 수출 파이프라인 (나타내지 않은)으로 흐른다. 상기 탱커 (66)는 기름을, 선택된 농도의 적당한 양의 기름이 혼합되는, 멀리 떨어진 정제 시설로 운반한다. 상기 저장 탱크 (62) 내의 기름이 경유라는 사실은, 파이프라인을 통함으로써, 탱커 (66)로 쉽게 실릴 수 있고, 나중에 내려지고(unloaded) 더 가공될 수 있는 것을 의미한다. 그러한 추가의 공정은 경유와 첨가제들 등등의 바람직한 혼합물을 얻기 위해 사용될 수 있다.
상기 분해소 (32)는, 들어오는 중질 원유를 52에서 가열하여 이를 분해하도록 뜨거운 모래 및/또는 증기를 사용하며, 상기 공정을 추가적인 증기에 의해 운반된 추가적인 열을 만들어낸다. 출원인은 전기를 생산하기 위하여 상기 증기를 사용한다. 상기 분해소에서 생산된 증기는 도관 (70)을 통하여 증기 동력 엔진 (72)으로 운반되며, 이는 피스톤을 갖는 증기 엔진일 수 있거나 증기 터빈을 포함할 수 있다. 상기 관(vessel)은, 공정의 시동 동안에 증기를 만들어내도록 탄화수소를 사용하는 보일러 (78)를 가질 수 있다. 상기 증기 동력 발생기 (steam powered generator)는, 전기를 발생시키는 전기 발전기 (74)에 연결된다. 대체적으로(alternatively), 폐회로 열 수송 시스템은, 증기를 가열하고 가열된 증기를 엔진 (72)으로 운반하는 장치로, 증기를 운반하는데 사용될 수 있다.
증기는, 오직 작동 기간 (예를 들면 15분) 후에만 상기 분해소로부터 생산된다. 이 시간 동안에, 출원인은, 75와 같은, 엔진-발생기 세트(engine-generator set)를 구동하기 위하여 도관 (40)을 통하여 흐르는 탄화수소 가스를 사용하며, 전기는 발전기 (74)로부터 얻는다. 상기 가스는 점화될 수 있고, 동일한 엔진 (72) 또는 보조적인 것을 활성화하는데 사용될 수 있다. 본 실시예에서 증기 발생기(steam generator)가 사용되었지만, 대체적인(alternative), 관 증기 보일러 (78)로부터의 증기가 상기 공정을 개시하는데 사용될 수 있다.
출원인은, 중질 원유를 가열하기 위하여 엔진 (72)에서의 초과적인 증기를 도관 (82)을 통하여 완충 탱크 (60)로 보내며, 그 안에서 이는 더 쉽게 흐른다. 추가적인 열은 또한 경유 탱크 (62) 내 경유를 가열하는데 사용될 수 있다. 증기 엔진을 빠져나가는 증기는 보통 압력을 낮추기 위하여 냉각되므로 들어오고 나가는 증기 사이에 커다란 압력차이가 있다는 것이 잘 알려져 있다. 출원인은 깨끗한 물 (최대 염분이 제거된)을 생산하기 위해 열을 사용하는 담수 생산기 (84)로 해수를 운반하기 위하여 해수 양수 펌프 시스템(seawater lift pump system) (80)을 사용한다. 깨끗한 물은 빠져나가는 증기를 냉각하고 증기 엔진을 위한 깨끗한 물을 생산하기 위하여 증기 엔진으로 보내진다. 발전기 (74)로부터의 전기는 다양한 스테이션으로 유체를 펌핑하는 동력 펌프에 사용된다. 이들은 수직관을 통하여 중질 원유를 펌핑해 올리는 펌프 (20), 플로팅 구조물 (12)로부터 기름을 운반하는 탱커 (66)로 경유를 펌핑하는 오프로딩 펌프(offloading pump), 및 증기 엔진으로 물을 제공하는 해수 양수 펌프 (80)를 포함한다.
그러므로, 본 발명은 주로 (적어도 50%) 중질 원유를 생산하는 해양 저장소 또는 해저 파이프라인으로부터 생산된 기름을 취급하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 상기 원유는, 물, 모래, 가스 및 경유를 제거하는 초기 공정 이후에 원유를 분해하는 분해소를 포함하는, 플로팅 구조물 또는 관(vessel)에 의하여 저장소로부터 생산된다. 상기 분해소는, 더 쉽게 펌핑되거나 또는 공정과 수송에서 파이프를 통해 흐를 수 있는, 경유 또는 더 가벼운 기름(덜 점성있는 기름)을 생산하도록 중유를 분해하기 위하여 고온의 (예를 들면 800 ℃) 증기를 바람직하게는 사용한다. 중유를 경유로 분해함으로써 만들어진 증기는, 전기 발전기를 작동시키는 증기 엔진을 활성화하는데 사용되며, 해수는 증기 엔진을 위한 냉매로 사용된다. 전기 발전기로부터의 전기는 분해소 및 다른 시설들을 작동시키며, 전기는 케이블을 통하여 해안 소비자들 또는 다른 해양 시스템으로 수출될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들이 본원에 기술되고 설명되었지만, 수정 또는 변경이 해당 분야의 기술자들에게 용이하다는 점이 인정되며, 따라서, 청구범위는 그러한 수정 및 동등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (11)
- 중질 원유 (heavy crude oil)를 포함하는 저장소 유체를 생산하는 해저 저장소 (14)로부터 경유를 효과적으로 얻는 방법으로서,
상기 해저 저장소로부터 상기 생산된 유체를 수직관 (22)을 통하여 상기 저장소로부터 상기 해수면에 떠있는 구조물 (12)로 올려 보내는 단계(passing said produced fluid from the undersea reservoir up from said reservoir through a riser (22) to a structure (12) that floats at the sea surface);
상기 생성된 유체를 상기 플로팅 구조물 (떠있는 구조물: floating structure) 상의 분리소(36)로 보내고, 상기 분리소 내에서 상기 중질 원유를 탄화수소 및 비-탄화수소 물질로 분리하고, 상기 비-탄화수소 물질을 바다로 처리(disposing)하는 것을 포함하여, 상기 탄화수소를 기체상의 탄화수소, 경유, 및 중유로 분리하는 단계;
상기 중유를 상기 플로팅 구조물 상의 탄화수소 분해소(hydrocarbon cracking station, 32)로 플로잉하고(flowing), 상기 분해소는 전기에 의해 부분적으로 활성화가능한(energizeable) 것이며, 경유, 기체상의 탄화수소 및 열을 생산하기 위해서 상기 중유를 분해하도록 상기 분해소를 활성화하는(energizing), 단계;
압축된 증기를 생산하기 위하여 상기 분해소에 의해 생산된 상기 열을 사용하고, 증기 엔진(72)을 구동하기 위하여 상기 압축된 증기를 사용하고, 전기 발전기 (74)를 구동하기 위하여 상기 증기 엔진을 사용하고, 상기 분해소를 활성화하기 위하여 상기 전기 발전기로부터의 전기의 일부를 사용하는 단계;를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서,
증기가 이용가능하기 전에, 상기 전기 발전기를 구동하기 위하여 처음에 증기를 발생시키도록 상기 기체상의 탄화수소를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 탄화수소 분해소(32)로 중질 원유의 일정한 흐름이 가능하도록, 상기 분해소에 연결된 중질 원유 완충 탱크(60) 내 상당량의 중질 원유를 저장하고(storing a quantity of heavy crude oil), 상기 중질 원유 완충 탱크 내 기름을 가열하기 위하여 상기 증기 발생기로부터의 증기를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 분해소는 원유 저장 탱크를 가지며, 상기 원유 저장 탱크 내 원유를 가열하기 위하여 상기 증기 발생기로부터의 증기를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 저장소로부터 상기 구조물로 유체를 펌핑하기 위하여 해저보다 높지 않은 곳에 놓인 해저 펌프(sea floor pump)(20)를 활성화하도록 상기 전기 발전기로부터의 전기를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 바다로부터 해수를 플로잉하고(flowing) 상기 증기 엔진을 위한 냉매로서 상기 해수를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서,
해수로부터 담수를 발생시키기 위하여 상기 분해소로부터의 열을 사용하고, 증기를 생산하기 위하여 상기 발생된 담수를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
- 중유를 함유하는 저장소 유체를 생산하는 해저 저장소로부터 탄화수소를 생산하기 위한 장치로서:
해수면에 떠있는 플로팅 구조물(12), 및 상기 저장소를 상기 플로팅 구조물에 연결시키는 수직관(22);
상기 수직관에 결합되고(coupled) 상기 저장소로부터 유체를 적어도 중유와 비-탄화수소 물질로 분리하는, 상기 플로팅 구조물 상의 분리소(36) (상기 분리소는 중유 배출구 (51, 53)를 갖고 상기 분리소는 전력을 사용하고);
상기 분리소의 중유 배출구(53)에 연결된, 상기 플로팅 구조물 상의 분해소(32) (상기 분해소는 경유 배출구(61) 및 증기 배출구(70)를 갖는 것이고);
증기 엔진을 구동하기 위하여 상기 분리소로부터 증기를 받아들이고, 전기 발전기(74)를 구동하기 위하여 상기 증기 엔진을 사용하는, 엔진-발생기 세트 (상기 전기 발전기는 상기 분리소에 연결된 콘센트(electrical outlet)를 갖는 것인);
를 포함하는 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 분리소로부터 중유를 받아들이고 저장하기 위하여 상기 분리소에 연결된 주입구 및 상기 분해소에 연결된 배출구를 갖고, 중유를 저장하는 완충 탱크(60)를 포함하는, 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 완충 탱크는 1,000 갤런 초과의 저장 용량을 갖는 것인, 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 완충 탱크 내 중유를 가열하기 위하여 상기 분해소의 상기 증기 배출구로부터 상기 완충 탱크로 이어진 도관을 포함하는(a conduit that carries from said steam outlet), 장치.
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