使用来自油和气生产的产出流体的热产生能量的制作方法

专利名称：使用来自油和气生产的产出流体的热产生能量的制作方法
技术领域：
本文提供了由来自例如油和/或气操作的产出流体物流中所含的热产生有用能量的方法和设备。
背景技术：
和发明概述鉴于能源价格和环境问题，需要产生能量例如电及其热当量的替代方法。本着该精神，已使用许多方法将废热转变为电。例如，美国专利No. 5，660，042中描述了限于地热流体源的方法，该方法利用的是使用来自天然热水源的废热进行发电。美国专利 No. 6，571，548中描述了另一个方法，在该方法中从燃气涡轮机单元的废气提取热以驱动发电机发电。World Oil Vol. 228 No. 9 (2007年9月)中描述了又一种可能方法，其中尝试使用“在其它地点已进行田场验证，但在油田中从未使用过”的装置(unit)由油田废水发电。认为这之所以可行是“因为这些高品质的水流”具有的“唯一接近地表排放极限的污染物是氯”。因此，推测水“在地热单元的换热器中不应该随着水温度降低而存在结垢问题，，。在 PROCEEDINGS,Thirty-Second Workshop on GeothermalReservoir Engineering, Stanford University, Stanford, California, January 22-24，2007 SGP-TR-183 禾口 Oil and GasJournal McKenna et al，2005年9月5日，；34_40页中论述了使用地热的类似尝试。因此，一直在本发明之前，例如工艺设备的结垢问题阻碍了使用来自油和/或气操作的热用于获得有用的能量。因此，虽然已发明许多方法由常规地热源如热水或蒸汽来发电，但是不存在直接从产出的单相或多相烃流体提取热并将其转变为有用能源例如电的方法。因此，需要可有效地且有效率地将产出流体中所含的热转变为有用能源如电的新方法。本发明提供了用于有效地且有效率地将产出流体如油、气、水及它们的混合物中所含的热转变为有益用途例如产生电或其它有用能量如加热另一种物流或流体的新的方法和设备。在一个实施方案中，本发明涉及产生可能够使能量发生转变的加热的工作流体的方法。该方法包括采集(gather)包含一种或多种来自油或气操作的烃的含热流体，其中所述含热流体至少包含基本上气相和基本上液相。如果多相，则优选将基本上气相与所述基本上液相分离。接下来，则可以利用蒸气换热器和液体换热器将每个所述相中所含热的至少一部分交换到工作流体从而产生加热的工作流体。该加热的工作流体可能够进行能量转变。在另一个实施方案中，本发明涉及产生可能够使能量发生转变的加热的工作流体的方法。该方法包括首先采集包含一种或多种来自油或气生操作的烃的含热流体。接下来，将含热流体传送到一个或多个换热器以使所述含热流体中所含热的至一少部分交换到工作流体。这产生了可能够使能量发生转变的加热的工作流体。优选地，所述含热流体为包含油、水和一种或多种气体的混合物。所述工作流体可以是包括例如未处理或处理的水、 软化水、以及脱氧工艺水的水并且可以例如在封闭的环路中间系统中使用。
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在另一个实施方案中，本发明涉及产生可能够使能量发生转变的加热的工作流体的设备。该设备包含能够产生包含一种或多种烃的含热流体的井口，其中所述含热流体至少包含基本上气相和基本上液相。该设备还包含与井口可操作地连接的分离器。该分离器能够将所述基本上气相与所述基本上液相分离。将蒸气换热器与分离器可操作地连接以接受来自该分离器的基本上气相并且将所述基本上气相中所含热的至少一部分交换到工作流体从而产生能够使能量发生转变的加热的工作流体。将液体换热器与分离器可操作地连接以接受来自该分离器的基本上液相并且将所述基本上液相中所含热的至少一部分交换到工作流体从而产生能够使能量发生转变的加热的工作流体。该设备还典型地包含与蒸气换热器、液体换热器，或这二者可操作地连接的一个或多个管道，例如一个或多个导管 (conductor)以将加热的工作流体传输到例如发电厂以由所述加热的工作流体发电或作为热能以例如加热另一种需要加热的物流。附图简要描述

图1是使用两个焊接板式换热器用于发电的本发明的一个示意性实施方案。图2是使用两个换热器用于发电的本发明的一个示意性实施方案。图3是使用两个焊接板式换热器用于发电和利用来自冷却器的过程热的本发明的一个示意性实施方案。图4是使用两个焊接板式换热器用于发电和可选的进一步热交换的本发明的一个示意性实施方案。图5是使用两个焊接板式换热器用于发电和利用来自冷凝器的过程热的本发明的一个示意性实施方案。图6是使用两个焊接板式换热器用于发电和利用来自冷却器的过程热的本发明的一个示意性实施方案。发明详述本方法涉及由油和气操作的产出流体产生加热的工作流体。所述产出流体典型地包含至少一种烃并且可以是单相或多相，并同时所述加热的工作流体经常能够使能量发生转变即传递、储存和/或产生能量。取决于所使用的具体方法，能量可以呈任何便利形式。例如，可以将加热的工作流体的能量转变为电或另一种形式的功例如热功(thermal power)。或者，可以按相同或另一种方法使用加热的工作流体的能量以例如加热需要如此加热的流体物流或者将其储存或转变为一些其它有用形式的能量。该方法通常在开始时首先从采集装置例如井口如油和/或天然气和/或其它烃井口采集例如产出含热流体。可以按任何便利的方式实现油和/或天然气、伴生水或它们的组合的产出和采集。这可包括天然油气藏流动(一次采收)或使用下面中的一种或多种烃油气藏的二次采收、三次采收、热采收(例如蒸汽驱)和它们的组合。可通过利用人工举升方法(例如机械举升、泵送单元、柱塞气举、气举、液压举升或类似系统)进行另外采收。这些术语应为油和气技术领域技术人员所充分理解并且描述在例如khlumberger Oilfield Glossary (通过引用将其并入本文)中。应理解的是，在地热方法中起主要作用之处是热采收，其中从地球提取用于转变为能量的热，而油和气田操作的主要目的是产生油和/或气并且采收烃。另外，按与地热方法不同的方式使用上述油和气操作人工举升技术。如在"Enhanced Geothermal Workshop pg 9”(San Francisco，2007)(通过引用将其全文并入本文)中所提及的，在地热应用中通常不需要如同用于油气井的人工举升技术。这是因为可以预期地热井以一定速率自流，只不过是将使用或为线-轴变化泵(从地面供以动力) 或为电动潜水泵(ESP)的潜水泵来辅助流动和提供控制。另外，与地热方法中的热采收形成对照的是，在地热方法中唯一地(exclusively)或主要地使用任何蒸汽和/或盐水流体作为热载体以从地球中提取热从而转变为能量，本发明中在传统二次采收下的任何水驱流体或者在传统三次采收或热采收下的蒸汽驱流体或化学驱流体具有的主要目的是维持或提高油和/或气产生以及烃采收，其是通过将它们从油气藏中带走，并且充当热载体。术语井口意欲包含在井或油气藏的表面处的一个或多个阀和/或套管组件或系统，而与所述井或油气藏是否位于陆上或水上无关。术语井口可以包括单一井口或一组井口并且通常涵盖在更宽泛的术语“采集系统”的含义之中。换言之，含热流体固有地主要来源于油和气田操作，其中油和气田操作是指与例如烃如原油和/或天然气、惰性气体以及伴生的副产品流体如水的勘探、开发或生产有关的主要油田操作。当然，这包括其中发现蓄水层并同时勘探烃的情形，在该情形中可以提取和交换含热流体以产生能量。作为进一步解释，含热流体通常不是源于首要是输送操作或制造操作例如蒸汽涡轮机系统的操作。从中可以获得含热流体的采集系统例如井口的设计并非特别关键，只要其能够移动和输送足够的加热的流体。加热的流体可以包含能够载送和传递热的任何流体。热可以是天然产生的或非天然产生的如由例如将蒸汽注入井中所产生的热。在一个实施方案中， 不分离或不能够分离加热的流体并且由该加热的流体直接产生或获得能量。在一个实施方案中，分离后加热的流体优选能够至少产生基本上气相和基本上液相，其中一相或两相能够载送和传递热。如本文所使用的，“基本上气相”是指为至少约80，优选至少90，更优选至少约95体积％蒸气的组分或组分混合物。在另一方面，“基本上液相”是指至少约80，优选至少90，更优选至少95体积％处于液体的组分或组分混合物。含热流体典型地包含一种或多种烃。这些烃包括但不限于选自较低分子量的烃如具有约1-约6个碳原子的烷烃，以及较高分子量的烃例如油及其混合物的那些。如果存在的话，含热流体的基本上气相优选包含气体例如甲烷、蒸汽或它们的混合物。如果存在的话，含热流体的基本上液相优选包含油、水或者含油和水的混合物。取决于从井口产出的流体的性质，含热流体中存在的基本上气相和基本上液相的相对量可以宽泛地变化。然而优选地，含热流体可以包含至少约5，更优选至少约10重量％的基本上气相。在另一方面，含热流体可以包含至多约70，更优选至多约30重量％的基本上气相。含热流体还可以包含固体。这样的固体可以包括例如少量如小于约3重量％的采出的砂、粘土、其它物质和混合物。当含热流体的基本上气相包含气体、蒸汽或其二者时，气体和/或蒸汽可以按任何量存在并且具有任何特性，只要过程没有明显受到妨碍并且设备能够对其进行处理。在一些实施方案中，基本上气相中气体的量基于该基本上气相的总体积计可以为至少约5，优选至少约10，至多约30以上，优选至多约15摩尔％的气体。通常，基本上气相包含至少约 10，优选至少约30摩尔％的非冷凝性气体例如甲烷并且还可以包含其它非冷凝性气体例如氢气、氧气、氮气、氩气、氦气、乙烷、氨、苯、二氧化碳或它们的混合物或化合物。在各种实施方案中，含热流体的基本上气相的气体的特征可以在于以下特性中的一种或多种(1)约 0. 12-约 0. 59Btu/lbm-° F 的平均热容；或(2)约 0. 0069-约 0. 098Btu/hr-ft-° F 的热导率；或(3)大于约IOppm的镁平均量；或(4)大于约1重量％的非冷凝性气体平均量； 或(5)非冷凝性气体总重量的大于约90%，优选大于约95%包含二氧化碳。当含热流体的基本上液相包含油或者油和水的混合物时，油和水可以以任何量存在并且具有任何特性，只要过程没有明显受到妨碍并且设备能够对其进行处理。基本上液相中油的有效量可以占到油的至少约1，优选至少约20重量％以上，至多约100重量％。在各种实施方案中，油的特征可以在于例如(典型的12度API拟组合物)以下特性中的一种或多种⑴约I-约1，OOOcp的粘度；⑵至少约5API最大约70API，优选至多约20API的平均比重；或(3)约0. 43-约1. 61Btu/lbm-° F的平均热容；或(4)约0. 06-约0. 36Btu/ hr-ft-° F的热导率。含热流体可以是任何温度，只要具有待传递到工作流体的足够的热并且不是如此多的热以致于设备不能够处理该含热流体。通常，含热流体的温度取决于具体的井和产出的含热流体的成分而宽泛地变化。可用于本发明的典型含热流体可以具有至少约150° F， 优选至少约200° F，更优选至少约观0° F的处于或接近井口出口的温度。在另一方面， 可用于本发明的典型含热流体可以具有至多约800° F，优选至多约500° F，更优选至多约 600° F的处于或接近井口出口的温度。如果含热流体超过设备能够处理的温度，则可以将含热流体骤冷(quench)到所需温度。如果要将基本上气相与基本上液相分离，则分离可以使用本领域已知或下文可用的任何设备以任何便利的方式完成。例如，分离可以使用比重来完成，因此蒸气在上方离开而液体在下方离开。具体地，可以使用气-液圆柱形容器或气-液离心分离器。有用的圆柱形容器一般称作气液分离罐(knock-out pot)、蒸气-液体分离器或闪蒸罐并且经常使用倾斜的切向入口喷嘴，并且进行大小设计以将预调节的流动物流输送到分离器的主体内。顺着切向入口合并的含热流体的动量产生具有足够G力的液体旋涡用于大量蒸气和液体快速发生分离。气体典型地通过容器顶部离开而液体典型地通过容器底部离开。优选以有效方式进行分离。即，分离使得夹带进入液体的任何蒸气和/或带出进入蒸气的任何液体最小化。在各种实施方案中，夹带进入液体的蒸气可以小于5重量％。相应地，带出进入蒸气的各种液体可以小于5重量％。还可以优选的是，在分离过程期间热没有损失到环境中或者以其它方式损失以便使整个过程的效率最大化。因此，在各种实施方案中，分离之后基本上气相中所含的热为分离之前含热流体中所含热的约70-约100%，而分离之后基本上液相中所含的热为分离之前含热流体中所含热的至少约30%，优选至少约 70% —直到约90%，更优选至多约100%。在一些油井中，油井井口天然气随同油一起产出并且可以在存在的任何环形空间中例如在任何管柱和套管之间积聚。在这样的情形中，可以有效设计设备使得这种气体可以在井的顶部、在分离器处或其二者处被移走。一般使用换热器将产出流体中所含热的至少一部分交换到工作流体。例如，可以使用蒸气换热器和/或液体换热器将每个所述相中所含热的至少一部分交换到工作流体。以这种方式，产生能够转变能量例如电的加热工作流体。通常，可以将全部含热流体的约50-约80%给进到蒸气换热器中。工作流体可以是任何便利的流体例如热传递流体，如 Texatherm , Therminol (C14-30烷基芳香烃衍生物)、油、致冷剂、烃、水或它们的任何混合物。出于容易性和可得性，通常优选未经处理的水，并同时在封闭的环路中间系统中更优选软化水或脱氧工艺水。换热器可以由任何便利的金属制成并且可以是任何便利的设计，只要它们不促进过度结垢并且交换热。已发现可以使用由例如陶瓷、不锈钢如不锈钢316、镍合金、铜镍合金、铝、碳钢、钛或各种其它抗腐蚀性合金制成的焊接板。以这种方式，蒸气换热器使基本上气相冷却。在一些实施方案中，蒸气换热器冷却基本上气相使得在离开蒸气换热器时物流可以具有在进入蒸气换热器时其具有的热的约10-约90%。类似地，液体换热器使基本上液相冷却。在一些实施方案中，液体换热器冷却基本上液相使得在离开液体换热器时物流可以具有在进入液体换热器时其具有的热的约10-约90%。有利地，在一些实施方案中，可以彼此独立操作蒸气换热器和液体换热器。这有助于操作使得在其它继续运行时可以清洗或维修一个或其它交换器。虽然本发明能够以各种方式和具体设备实现，但是图1-6示意性地阐述了本发明的几个具体实施方案。在图1-6中，采集装置例如井口通常地位于或接近1 (油和气田操作)。从井口产出即提取包含一种或多种烃的含热流体，于此将其传送到将该含热流体分离成基本上气相和基本上液相的2 (分离器)。分离器2通常是其中液体通过比重被分离出且因此落下到容器底部，在该容器底部将其取出(withdraw)。蒸气以通常进行设计使蒸气中任何液滴的夹带最小化的速度向上行进。蒸气从容器顶部离开。或者，分离器2可以是能够通过沿环形路径机械地加速流体并且使用径向加速度分量离析这些污染物(contaminant)而移出具有不同比重的不混溶流体的容器，例如离心分离器。分离后，可以将气相8输送到冷凝器3并同时可以将液相9输送到冷却器4。冷凝器3是蒸气换热器并且通常是用于通过吸收蒸气的潜热(和潜在的任何显热的一部分，特别是例如较重的组分)到冷却流体(即水、致冷剂或其它冷却流体)中将蒸气冷凝为液体的热交换装置或单元。冷却器4是液体换热器并且通常是用于将来自在隔板一侧上流动的流体的显热(加上来自任何带出蒸气的任何潜热)传递到在隔板另一侧上流动的另一种冷却器流体的热交换装置或单元。以这种方式将一相或两相中所含的热的至少一部分(取决于具体实施方案)交换到如中间热交换流体7所示的工作流体。在一个实施方案中，可以将换热器构造成分开进行控制和/或操作。如果需要的话，这允许绕过任一个换热器并同时仍提取热以产生电力或热能。这例如有助于清洗一个换热器并同时另一个换热器进行工作。可以将工作流体输送到发电系统6以产生能量。发电系统6可以是任何有机朗肯循环、卡利纳循环、卡诺循环或其它发电系统。取决于具体实施方案，作为发电的替代或补充，可以在过程中的各种时刻(point)将热作为过程热10取出用于加热另一种物流(如果需要的话)。简单地使用泵5通过向系统加入能量(压缩力)将来自较低压力的流体改动到较高压力。虽然在本文中仅具体说明和描述了示例性实施方案，但是应当理解的是，本文所描述的方法和设备的许多修改和变化根据上述教导是可能的并且在所附权利要求书的范围内，而不背离所要求保护的主题的精神和预期范围。
7实施例在油和气操作中从井口产出包含一种或多种烃的含热流体。使用分离器将该流体分成气相和液相。液体含有油、烃、水而气相含有气体、其它非冷凝物和蒸汽。下表1-4中描述了代表性的流体性质。该过程以源于油和/或气田的含热流体的产出为开始(如图1中的1所示)。含热流体由部分液体和部分蒸气组成。热供给物流产量大约为约12，000-约15，000桶/天的流体和约18-约22百万标准立方英尺/天的蒸气。因此，含热流体的蒸气含量等于约10-约 30重量％。含热流体的温度范围随着约80psig-约IOOpsig的压力范围为约观0° F-约 350° F。流体穿过气体/液体分离器(如图1中的2所示)以分为气体和液体物流。这提高了捕集液体和气体物流两者中的任何保留热能的效率。液体含有油、水和其它烃而蒸气含有气体、蒸汽和其它非冷凝物。在分离后，将蒸气输出到将其冷凝的焊接板式换热器(如图1中的3所示)。将液体输出到将其冷却的单独焊接板式换热器(如图1中的4所示)。 气相和液相的温度变化大致为约80° F-约150° F。在该步骤中，将液体和/或蒸气中的部分热交换到工作流体(在该情形中为脱氧水)。在发电系统机械装置(如图1中的6所示)即使用有机朗肯循环的涡轮机中将脱氧水的热转变为功从而产生能量。这产生大致约1. 8-约2. 5MW的净功率输出。整个系统的温度和压力范围大致分别为约170° F-约340° F和约70psig-约130psig。然后通过能够使水压提高约15psig-约25psig的泵(如图7中的7所示)使脱氧水再循环。表1-流体性质
权利要求
1.一种用于产生能够使能量发生转变的加热的工作流体的方法，该方法包括a)采集包含至少一种或多种来自油或气操作的烃的含热流体，其中所述含热流体至少包含基本上气相和基本上液相；b)将所述基本上气相与所述基本上液相分离；c)利用蒸气换热器和液体换热器将每个所述相中所含热的至少一部分交换到工作流体从而产生加热的工作流体。
2.权利要求1的方法，其中从井口采集含热流体。
3.权利要求1的方法，其中含热流体的采集包含使用人工采收、一次采收、二次采收、 三次采收或它们的组合。
4.权利要求1的方法，其中含热流体的采集包含使用人工举升。
5.权利要求1-4中任一项的方法，该方法还包括使用所述加热的工作流体来加热另一种流体物流或产生能量。
6.权利要求1-4中任一项的方法，该方法还包括使用所述加热的工作流体产生电。
7.权利要求1-4中任一项的方法，其中所述基本上液相包含⑴烃或者(2)含有烃和水的混合物或者(3)至少约1重量％的油。
8.权利要求1-4中任一项的方法，其中所述基本上气相包含特征在于以下特性中的一种或多种的气体(1)约0. 12-约0. 59Btu/lbm-° F的平均热容；或(2)约0. 0069-约 0. 098Btu/hr-ft-° F的热导率；或(3)大于约IOppm的镁平均量；或(4)大于约1重量％ 的非冷凝性气体平均量；或(5)非冷凝性气体总重量的大于约90%，优选大于约95%是二氧化碳。
9.权利要求1-4中任一项的方法，其中所述基本上液相包含特征在于以下特性中的一种或多种的油和水的混合物(1)约1-约1，OOOcp的粘度；或(2)至少约5API最大约70API 的平均比重；或(3)约0. 43-约1. 61Btu/lbm-° F的平均热容；或(4)约0. 06-约0. 36Btu/ hr-ft-° F的热导率。
10.权利要求1-4中任一项或多项的方法，其中在将所述基本上气相与所述基本上液相分离之前，所述含热流体具有约150-约800° F的温度。
11.权利要求1-4中任一项或多项的方法，其中所述蒸气换热器和液体换热器中的一个或多个包含焊接板。
12.权利要求1-4中任一项或多项的方法，其中所述蒸气换热器和液体换热器中的一个或多个包含壳管式换热器或者螺旋换热器。
13.权利要求1-4中任一项的方法，该方法还包括清洗所述蒸气换热器和液体换热器中的一个并同时运行所述蒸气换热器和液体换热器中的另一个。
14.权利要求1-4中任一项的方法，其中所述工作流体为水。
15.权利要求1-4中任一项的方法，该方法还包括在封闭的环路中间系统中使用水、软化水或脱氧水作为工作流体。
全文摘要
本发明涉及可有效地且有效率地将井口含烃流体中所含的热转变为有用能源如电的新的方法和设备。该方法通常包括首先从井口产出包含一种或多种烃的含热流体，并然后将所述含热流体传输到一个或多个换热器。该一个或多个交换器将所述含热流体中所含热的至一少部分交换到工作流体从而产生能够使能量发生转变的加热的工作流体。
文档编号F28D7/00GK102177309SQ200980139800
公开日2011年9月7日 申请日期2009年8月21日 优先权日2008年8月22日
发明者D·W·博沃斯, J·D·本顿, J·洛麦克斯, K·W·科尔特夫, L·R·罗瑟, M·布恩威雅杰, P·A·斯克里皮夫, T·M·瓦雷, W·D·小汉密尔顿 申请人:德士古发展公司