Способ экстракции нефти из нефтеносных песков - RU2571827C2

Чертежи

Описание

Данная заявка испрашивает приоритет на основании предварительной патентной заявки США № 61/545034 от 7 октября 2011 года. Данная заявка также испрашивает приоритет на основании канадской патентной заявки № 2754355 от 30 сентября 2011 года. Содержания предварительной патентной заявки США № 61/545034 и канадской патентной заявки № 2754355 включены в настоящий документ посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к системам и способам извлечения битума из нефтеносных песков. В частности, настоящее изобретение относится к экстракции битума из нефтеносных песков с помощью жидкого растворителя с добавками. Настоящее изобретение особенно, но не исключительно, полезно в качестве системы и способа экстрагирования битума либо из гидрофильных, либо из олеофильных нефтеносных песков коммерчески рентабельным образом.

Уровень техники изобретения

Так как во всем мире спрос на ископаемые виды топлива продолжает увеличиваться, должны быть разработаны новые, нетрадиционные источники ископаемого топлива, поскольку традиционные источники быстро сокращаются. Одним из перспективных источников является нефтеносный песок, который найден в значительных количествах в нескольких регионах мира, в частности в Канаде и штате Юта, и большая часть запасов нефтеносных песков Соединенных Штатов находится в штате Юта. Нефтеносные пески содержат природные смеси песка, глины, воды и битума. Из-за данного состава нефтяные пески не могут добываться таким же образом, как нефть в нефтяном месторождении. Вместо этого, если нефтеносные пески не доступны с помощью традиционных способов добычи, нефтеносные пески либо добывают и обрабатывают для экстракции нефти, или нефть экстрагируют без добычи с помощью специальных методов. В этом случае выбирают определенный специальный метод, исходя из состава экстрагируемого нефтяного песка и глубины и насыщенности залежи нефтеносных песков. Иными словами, каждая залежь нефтеносного песка не может быть экстрагирована с помощью одного общего способа.

Важным аспектом при попытке экстрагировать нефтеносные пески является смачиваемость породы или песка там, где находится залежь нефтеносного песка. Существуют в основном два типа смачиваемости, которые встречаются при работе с нефтеносными песками. Это гидрофильность и олеофильность. В гидрофильных условиях тонкая пленка воды покрывает поверхность битума, содержащегося внутри нефтеносного песка. Разные методы оказались эффективными с гидрофильными нефтеносными песками для экстрагирования битума. Одним из таких эффективных методов является традиционный способ использования горячей воды, в котором горячая вода вымывает битум из нефтеносного песка и замещает его водой. Методы извлечения битума из олеофильных нефтеносных песков, однако являются более проблематичными.

В олеофильном состоянии материал, окружающий битум, находится в непосредственном контакте с битумом. Это состояние является гораздо более сложным с точки зрения экстрагирования, поскольку традиционный способ использования горячей воды оказывается не столь эффективным. В связи с этим предпринимались различные способы экстракции для олеофильных нефтеносных песков с использованием тепла, ультразвуковых волн и микроволнового излучения, но ни один из них не был коммерчески успешным, к тому же различные типы растворителей также не оказались успешными для этой цели. Кроме того, не был разработан коммерчески рентабельный способ, который позволял бы экстрагировать битум одинаково хорошо как из гидрофильных, так и из олеофильных нефтеносных песков.

В свете вышеизложенного задачей настоящего изобретения является экстракция битума из нефтеносных песков коммерчески рентабельным образом. Другой задачей настоящего изобретения является разработка жидкого растворителя, который вместе с добавкой может использоваться для эффективной экстракции битума как из гидрофильных, так и из олеофильных нефтеносных песков. Еще одной задачей настоящего изобретения является использование растворителя для создания псевдоожиженного слоя, который может способствовать отделению битума от нефтеносного песка. Другой задачей настоящего изобретения является создание системы и способа экстракции нефтеносного песка, которые являются сравнительно легкоосуществимыми, рентабельными и простыми в применении.

Сущность изобретения

В соответствии с настоящим изобретением система для экстракции битума из нефтеносных песков включает в себя экстракторный бак, имеющий реакционную камеру. Входное отверстие предусмотрено у верхнего края экстракторного бака с целью введения нефтеносного песка в реакционную камеру. Как предусмотрено в настоящем изобретении, нефтеносный песок может быть или так называемым «олеофильным» песком, или «гидрофильным» песком. Кроме того, настоящее изобретение также предусматривает, что нефтеносный песок содержит среду (матрицу), удерживающую битум, и такая среда (матрица) может быть или песком, глиной, сланцем, углем, или любым другим типом нерастворимого твердого материала.

Источник жидкого экстрагента (т. е. растворитель) подается в систему для реакции с нефтеносным песком в реакционной камере. В частности, данный экстрагент нагревают до примерно 60°C и затем закачивают через струйные инжекторы в реакционную камеру, чтобы создать вихревую скорость экстрагента в реакционной камере. В частности, экстрагент инжектируется в реакционную камеру через множество форсуночных входов, которые стратегически расположены вокруг нижнего края экстракторного бака, при этом важно, что эти форсуночные входы расположены для направления экстрагента в бак для того, чтобы суспендировать нефтеносный песок в экстрагенте, в виде псевдоожиженного слоя внутри реакционной камеры. Затем происходит реакция экстрагента (т. е. растворителя) с нефтеносным песком в этом псевдоожиженном слое. В результате данной реакции экстракт, содержащий как экстрагент (растворитель), так и битум, отделяется от песка. Компьютер с компьютерной программой может быть предусмотрен для регулирования множества струйных инжекторов для поддержания заданного уровня псевдоожиженного слоя в камере.

У нижнего края экстракторного бака предусмотрено выпускное отверстие для удаления песка из реакционной камеры после того, как экстрагент и нефтеносный песок прореагировали друг с другом. Принимая во внимание, что в песке, который удаляется из реакционной камеры, может присутствовать остаточный экстрагент, дополнительная вибрационная центрифуга может быть присоединена к выпускному отверстию экстракторного бака для приема песка. Вибрационная центрифуга в таком случае используется для удаления остаточного экстрагента из песка. Напорные мембранные фильтры и/или другие типы сепарационного оборудования для разделения жидкой и твердой фаз могут использоваться для отделения остаточного растворителя от чистого песка. С этой целью устройство, применяющее технологию псевдоожиженного слоя, также может быть задействовано вместе с вибрационной центрифугой. Извлеченный экстрагент затем может быть возвращен к источнику жидкого экстрагента для дальнейшего использования в системе. С другой стороны, песок может быть отобран из системы для коммерческого использования.

У верхнего края экстракторного бака испаритель соединен по текучей среде с реакционной камерой. Данный испаритель фактически служит для двух целей. С одной стороны, он удаляет экстракт из реакционной камеры после осуществления реакции между экстрагентом и нефтеносным песком. С другой стороны, он используется для испарения экстрагента (растворителя) из экстракта и, таким образом, создания пара растворителя. С этой целью нагреватель генерирует пар для нагревания испарителя до температуры выше 100°C. Кроме того, существует дистилляционная колонна, которая присоединена к испарителю для отделения данного пара растворителя от битума, который находится в экстракте. Пар растворителя затем конденсируется обратно в жидкий экстрагент (растворитель) и возвращается к источнику жидкого экстрагента для последующего использования в системе. В то же время битум извлекается для дальнейшего коммерческого использования.

Важнейшим элементом настоящего изобретения является сам экстрагент. Более подробно экстрагент обязательно содержит жидкий гидрофобный компонент и жидкий гидрофильный компонент. Важно отметить, что эти компоненты объединяют для создания азеотропной композиции, которая подходит для растворения и экстрагирования битума из нефтеносного песка. Как отмечалось выше, нефтеносный песок может быть либо «олеофильным» песком, либо «гидрофильным» песком. Кроме того, экстрагент будет включать добавку, которая добавляется к азеотропной композиции для предотвращения выпадения в осадок битума из экстрагента во время реакции между экстрагентом и нефтеносным песком в реакционной камере. Предпочтительно добавка будет являться твердым ароматическим соединением и будет либо дициклическим соединением, либо трициклическим соединением. Кроме того, добавка предпочтительно будет действовать как катализатор для увеличения скорости экстракции битума из нефтеносного песка.

Как упоминалось выше, гидрофобный компонент и гидрофильный компонент экстрагента объединяют (смешивают) для создания азеотропной композиции, имеющей точку кипения приблизительно 65°C. Для достижения этого точка кипения гидрофобного компонента может быть менее 60°C при условии, что точка кипения гидрофильного компонента будет по-прежнему предпочтительно менее примерно 80°C.

Предпочтительно гидрофобный компонент выбирают из группы, включающей неразветвленные углеводороды и разветвленные углеводороды, и гидрофильный компонент выбирают из группы, включающей спирты, сложные эфиры и кетоны.

Краткое описание чертежей

Новые признаки данного изобретения, а также само изобретение, как по своей структуре, так и по своему действию, будут лучше всего понятны из прилагаемых чертежей, рассматриваемых вместе с сопровождающим описанием, на которых одинаковые ссылочные позиции относятся к аналогичным частям и на которых:

на фиг. 1 представлено схематическое изображение системы для экстрагирования битума из нефтеносных песков в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 2 представлено схематическое изображение цикла реакций и трансформаций, которые происходят в способе экстрагирования битума из нефтеносного песка в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 3A представлен внутренний вид структуры компонента гидрофильного нефтеносного песка;

на фиг. 3B представлен внутренний вид структуры компонента олеофильного нефтеносного песка; и

на фиг. 4 представлена предложенная конфигурация установки для системы экстрагирования битума из нефтеносных песков.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Первоначально сошлемся на фиг. 1, где показана система для экстрагирования битума из нефтеносных песков в соответствии с настоящим изобретением, в целом обозначенная позицией 10. Как показано, система 10 включает в себя экстрактор 12 для обработки нефтяных песков 14 с помощью экстрагента 16. Для системы 10 нефтеносный песок 14 может складироваться в отвале с помощью традиционных способов и подаваться с помощью погрузчика 18 в обычную измельчающую машину 20 для измельчения нефтеносного песка 14 и образования руды, которая подходит для подачи в экстрактор 12. В некоторых случаях нефтеносный песок 14 может быть предварительно смешан с экстрагентом 16 в смесительной емкости (см. фиг. 4) до введения нефтеносного песка 14 в экстрактор 12.

Продолжая рассмотрение фиг. 1, можно видеть, что экстрагент 16 может быть загружен в стационарный бак 22 для экстрагента для хранения. При необходимости экстрагент 16 из бака 22 далее нагревается до требуемой температуры с помощью нагревателя 24 и инжектируется под давлением в экстрактор 12.

На фиг. 2 проиллюстрирована технологическая схема варианта осуществления экстрактора 12, имеющего экстракторный бак 26, который образует реакционную камеру 28. Как дополнительно показано, входное отверстие 30 предусмотрено по месту или вблизи верхнего края 32 экстракторного бака 26 с целью введения нефтеносного песка 14 (показанного символом +о) в реакционную камеру 28. В настоящем изобретении нефтеносный песок может содержать, но не обязательно ограничивается, «гидрофильными» песками 34 (как показано на фиг. 3А) и «олеофильными» песками 36 (как показано на фиг. 3B). Как показано на фиг. 3А для гидрофильных песков 34, частицы песка 38а-d образуют внутренние поры 40, которые содержат битум. Как показано далее, слой воды 42 покрывает и смачивает частицы песка 38а-d, отделяя битум от частиц песка 38а-d. С другой стороны, для олеофильных песков 36 (фиг. 3В), частицы песка 38a′-d′ образуют внутренние поры 40', содержащие битум, который покрывает и смачивает частицы песка 38a′-d′.

Обратимся снова к фиг. 1 и фиг. 2, где показано, что экстрагент 16 (показанный символом ~) инжектируется в реакционную камеру 28 через множество впускных отверстий 44а, b, которые стратегически расположены вокруг нижнего края 46 экстракторного бака 26. В частности, как показано на фиг. 2, жидкий экстрагент 16 (т. е. расторитель) нагревают до температуры, близкой к его точке кипения нагревателем 24, и затем закачивают через струйные инжекторы в реакционную камеру 28 насосом 48, чтобы создать вихревую скорость экстрагента 16 в реакционной камере 28. Как правило, экстрагент 16 нагревают до температуры в пределах примерно 10% от его точки кипения (измеренной в градусах Цельсия) перед инжекцией в реакционную камеру 28. Кроме того, для экстрактора 12 впускные отверстия 44a, b располагают для направления экстрагента в бак с целью суспендирования нефтеносного песка 14 в экстрагенте 16 в виде псевдоожиженного слоя внутри реакционной камеры 28. Реакция экстрагента 16 с нефтеносным песком 14 происходит далее в этом псевдоожиженном слое, что приводит к образованию экстракта 50 (показан символом ~о), который содержит одновременно и экстрагент 16, и битум, отделенный от песка 52 (показанного символом х). Как показано, экстракт 50 выходит из реакционной камеры 28 через выпускное отверстие 54 возле верхнего края 32 экстракторного бака 26, и песок 52 выходит из реакционной камеры 28 через выпускное отверстие 56 возле нижнего края 46 экстракторного бака 26.

На фиг. 2 показано, что любой остаточный экстрагент 16 может быть отделен от песка 52, который выходит из реакционной камеры 28, с помощью необязательной вибрационной центрифуги 60, которая получает маслянистый песок из выпускного отверстия 56. С этой целью устройство (не показано), применяющее технологию псевдоожиженного слоя, также может быть задействовано вместе с вибрационной центрифугой 60. В некоторых случаях вместо вибрационной центрифуги может применяться осушитель. Как дополнительно показано на фиг. 1 и фиг. 2, продукты вибрационной центрифуги 60 включают экстрагент 16, который может быть рециркулирован в бак 22, и влажный песок 62. На фиг. 1 показано, что влажный песок 62 может подаваться в осушитель 64, который нагревается, например, с помощью пара низкого давления 64, образованного бойлером 66. После сушки песок может храниться в отвале 68 сухого песка до погрузки на грузовик 70 с помощью погрузчика 72 и транспортировки для использования в качестве песчаной засыпки. Экстрагент 16, извлеченный из осушителя 64, может быть охлажден в теплообменнике 74, направлен на хранение в приемный бак 76 и рециркулирован обратно в бак 22 для экстрагента, как показано на фиг. 1.

Как лучше всего видно на фиг. 2, ректификатор 78, имеющий испаритель 80, соединен с выпускным отверстием 54 для создания сообщения по текучей среде между испарителем 80 и реакционной камерой 28. В процессе реакции экстракт 50 нагнетается вверх в реакционной камере 28, выходит через выпускное отверстие 54 и поступает в испаритель 80. Функционально испаритель 80 разделяет экстракт 50 на экстрагент 16 (растворитель) и битум 82 (показанный символом о). Для этого испаритель 80 нагревает и испаряет экстракт и, тем самым, создает пар растворителя. Как показано, нагреватель 84, такой как кожухотрубный теплообменник, может использовать пар для нагревания экстракта 50 в испарителе 80 до температуры более 100°C. Кроме того, как показано, ректификатор 78 может включать в себя дистилляционную колонну 86, которая может быть соединена с испарителем 80, для отделения экстрагента 16 от битума 82, который присутствует в экстракте 50. На фиг. 1 далее показано, что пар экстрагента 16, выходящий из ректификатора 78, может быть охлажден в теплообменнике 88, сконденсирован в приемнике 90 и рециркулирован в бак 22 для последующего использования в системе 10. Выходящий из ректификатора 78 битум 82 может храниться в баке для битума 91 для последующей транспортировки к расположенной ниже по потоку перерабатывающей установке (не показана).

Для системы 10 условия внутри экстрактора 12 оптимизируют для максимального смешивания и реакции с экстрагентом 16. В частности, эти условия включают состав и температуру экстрагента 16 и скорости и траектории потоков различных видов в реакционной камере 28. Эти скорости и траектории потока, в свою очередь, зависят от ряда факторов, включающих количество инжекционных отверстий, давления и потоки инжектирования и размер и форму реакционной камеры, включая любые направляющие потока.

Как правило, предпочтительно использовать экстрагент, имеющий сравнительно низкую точку кипения, например менее 80°C, для уменьшения рабочей температуры системы 10 и сопряженных теплопотерь. В дополнение к этому, как описано выше, может быть желательно нагревать экстрагент 16 до температуры, очень близкой к точке кипения экстрагента 16, чтобы повысить скорость реакции между экстрагентом 16 и нефтеносным песком 14.

В большинстве случаев экстрагент 16 будет содержать жидкий гидрофобный компонент, жидкий гидрофильный компонент и добавку. Это позволит экстрагенту 16 смачивать как нефтяные, так и водные компоненты в нефтеносном песке 14. Кроме того, в некоторых случаях низкая точка кипения многокомпонентного экстрагента может быть получена, имея точку кипения, которая ниже, чем точка кипения двух или более компонентов (т. е. T_{кип. экстрагента}кип. компонента 1кип. компонента 2). Например, может использоваться азеотропная композиция из двух или более компонентов.

В типичной композиции приблизительно 65-80 об.% экстрагента 16 является гидрофобным компонентом и приблизительно 20-35 об.% экстрагента 16 является гидрофильным компонентом. И добавка содержится в диапазоне приблизительно 0,1-1,0 об.% экстрагента 16. Предпочтительно гидрофобный компонент выбирают из группы, включающей неразветвленные углеводороды и разветвленные углеводороды, и гидрофильный компонент выбирают из группы, включающей спирты, сложные эфиры и кетоны.

Гидрофобные ингредиенты могут включать пентан, изопентан, гексан, изогексан, метилгексан (т. е. компоненты простого петролейного эфира). Другие гидрофобные растворители включают тетрагидрофуран, метиленхлорид, хлороформ и/или четыреххлористый углерод.

Например, жидкий гидрофобный компонент может включать простой петролейный эфир. Типичный состав простого петролейного эфира включает 50% метилпентана, 30% гексана и 20% метилгексана. В некоторых случаях гидрофобный компонент может содержать хлороформ и/или четыреххлористый углерод, и/или метиленхлорид, например, в концентрациях примерно 10%, и/или примерно 10% тетрагидрофурана.

В качестве примера жидкий гидрофильный компонент может содержать метилацетат, метанол и/или бензиловый спирт. Как правило, количество бензилового спирта, используемого в экстрагенте 16, составляет менее примерно 1%.

Композицию часто корректируют, исходя из водонасыщенности нефтеносного песка 14. Например, типичная композиция для песков с высокой водонасыщенностью (т. е. более чем примерно 2% воды) содержит примерно 70% гидрофобного компонента, примерно 15% метилацетата, примерно 14% метанола и примерно 1% добавки. С другой стороны, типичная композиция для песков с низкой водонасыщенностью (т. е. менее чем примерно 2% воды) содержит примерно 80% гидрофобного компонента, примерно 15% метилацетата, примерно 4% метанола и примерно 1% добавки.

Для экстрагента 16 добавка является дициклическим или трициклическим ароматическим соединением, таким как бифенил, 2,2′-диметилбифенил, простой дифениловый эфир, нафталин, диметилнафталин, бензофуран, 1-нафтол, аценафтен, антрацен или их сочетание. Для системы 10 экстрагент 16 обычно содержит одну или несколько добавок, которые добавляют в композицию для предотвращения или уменьшения выпадения в осадок битума из экстрагента 16 во время реакции между экстрагентом и нефтеносным песком 14 в реакционной камере 28. Кроме того, добавка предпочтительно будет действовать как катализатор для повышения скорости экстракции битума 82 из нефтеносного песка 14.

Для получения экстрагента 16 гидрофобные ингредиенты сначала добавляют в смесительный бак с перемешивающими лопастями и перемешивают в течение 30 минут. Затем добавляются гидрофильные компоненты и смешиваются при перемешивании в течение еще 15 минут. Затем добавляются ароматические добавки и перемешиваются в течение примерно 1 часа до равномерного растворения.

На фиг. 4 показана предложенная конфигурация установки для системы 10′ экстрагирования битума из нефтеносных песков. Как показано, система 10′ может включать в себя четыре бака для экстрагента 22a-d. Экстрагент предварительно нагревают в нагревателе 24′. Конвейеры 92а-с подают нефтеносный песок в три емкости предварительного смешивания 94а-с, где нефтеносный песок предварительно смешивается с экстрагентом. Как показано, конфигурация также включает экстрактор 12′. Предварительно смешанный с нефтеносным песком экстрагент может подаваться, например, с помощью подачи самотеком, в верхнюю часть экстрактора 12′. Конфигурация дополнительно включает ректификационную колонну 78′ (как описано выше), испаритель 80′ (как описано выше), охладитель/теплообменник 88′ (как описано выше) и нагреватель 84′ (как описано выше).

Хотя конкретный способ экстракции нефти, как подробно показано и описано в настоящем документе, вполне способен решать задачи и обеспечивать преимущества, изложенные ранее в данном документе, следует понимать, что он является лишь иллюстрацией предпочтительных в настоящее время вариантов осуществления изобретения, и что отсутствуют ограничения для деталей конструкции или дизайна, показанных в данном документе, кроме описанных в прилагаемой формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к системам извлечения битума из нефтеносных песков. Система для экстрагирования битума из нефтеносных песков содержит: экстракторный бак, имеющий верхний край и нижний край, при этом экстракторный бак включает в себя реакционную камеру; входное отверстие, расположенное у верхнего края экстракторного бака для введения нефтеносного песка в реакционную камеру, при этом нефтеносный песок содержит битум и песок; множество форсуночных входов, расположенных в заранее определенных местоположениях вокруг нижнего края экстракторного бака; источник жидкого экстрагента, при этом жидкий экстрагент содержит жидкий гидрофобный компонент и жидкий гидрофильный компонент, которые объединяются с образованием композиции, при этом жидкий гидрофильный компонент выбирают из группы, включающей спирты, сложные эфиры и кетоны; насос для создания давления и перемещения жидкого экстрагента от его источника через множество форсуночных входов для инжекции в реакционную камеру с целью суспендирования нефтеносного песка в виде псевдоожиженного слоя в реакционной камере, где реакция нефтеносного песка с экстрагентом выделяет экстракт из песка, и экстракт включает в себя экстрагент и битум; выпускное отверстие, расположенное у нижнего края экстракторного бака для удаления песка из реакционной камеры; средство сепарации, соединенное с нижним выпускным отверстием экстракторного бака, для приема песка из экстракторного бака и удаления остаточного экстрагента из песка; испаритель для приема экстракта из реакционной камеры и для испарения экстрагента из экстракта; и дистилляционную колонну, соединенную с и�

Формула