用于原油提升的基于NMR的系统及其方法与流程

本发明涉及用于原油提升的基于NMR的系统及其方法。

背景技术：

原油含有四种不同的烃，包括链烷烃、环烷烃、芳烃和沥青烯。链烷烃，或者烷烃，为仅由氢和碳原子组成的饱和烃，通式为C_nH_2n+2。所有键是单键，并且碳原子不结合于环状结构中，而是形成简单的链。其构成原油的约15％至约60％，并且平均约为30％。树脂或环烷烃，也称为环烃，是在其分子化学结构具有一个或多个碳原子环的烷烃。其构成原油的约30%至约60％，并且平均约为49％。芳烃，或者芳香烃，为在碳原子形成的环之间具有交替的双键和单键的烃。芳烃构成原油的约3%至约30％，并平均约为15％，参见Antonio Cardenas等人，申请人为Nano Dispersions Technology Inc，申请号为20130264247 的美国专利申请（NDT专利），在此引入该文献作为参考。

沥青烯主要由碳、氢、氮、氧和硫，以及微量的钒和镍组成。C:H比大约为1:1.2，其取决于沥青烯来源。沥青烯在操作上定义为碳质材料比如原油的不溶性正庚烷(C7H16)、可溶性甲苯成分，并且是蒸馏过程的黏的、黑的、高粘度残留物。其组成原油的剩余部分，并且平均占约3%至约10%的原油，但是，重油可以含有10%或更多，并且C:H比高。由于沥青烯的聚集，它们是原油粘度最重要的贡献者，影响原油粘度。由于高比例轻烃馏分的存在，轻质原油是粘度低、比重低和API（美国石油学会）重力高的液体石油。用141.5除以流体比重并减去131.5计算API重力。纽约商业交易所[New York Mercantile Exchange (NYMEX) ]将美国国内油的轻质原油定义为API重力在37° API (840 kg/m3) 和42° API (816 kg/m3)之间，而将非美国油的轻质原油定义为在32° API (865 kg/m3) 和42° API (816 kg/m3) 之间。加拿大国家能源局将轻质原油定义为密度小于875.7 kg/m3 (超过30.1° API)。墨西哥国家石油公司，Pemex，将轻质原油定义为在27° API (893 kg/m3) 和38° API (835 kg/m3) 之间。不同于轻质原油，由于高粘度，重质原油通常是不可泵送的。因此，移除高粘度产物，即，沥青烯，以便泵送剩余的，较轻的脱沥青原油是有利的。由于被炼油厂转化为产品时，轻质原油产生较高比例的汽油和柴油燃料，其市售价格比重质原油高，因而比起重质原油，更想得到轻质原油（更多内容参见NDT专利）。

超声是为了各种目的而施加声能以搅动样品中的颗粒的行为。通常使用超声频率（>20 kHz），从而导致该过程也被称为超声波处理或超-声波处理。“超声处理”并且“低频率声学超声处理” 特别和以非限制性的方式在下文指的是材料经受低频声振动的方法。例如，专利号为4,941,134和5,005,773 (Nyberg等人)的美国专利公开了用于产生这些振动的设备，“超声波仪”。与超声波设备不同，这些低频声波反应器可化简成大规模的商业实践（例如，20千瓦超声波仪模块），并且可以在低溶剂：HCO剂量下实现HCO脱沥青[并且在超声波仪中的停留时间超低（例如，小于120秒）]，参见下文Petrosonic专利，该专利结合在本文中作为参考。

申请人为Foxboro NMR, Ltd的EP 1276833专利申请（结合在本文中作为参考）公开将两种或更多种组分掺和到石油混合物中的方法，该方法采用核磁共振以获得至少一个组分的选定性质的实时评估。多变量控制器处理这些估计，以确定形成预期值的这些选定性质的石油混合物所需的每个组分的相对量。

ENI S.p.A的EP 2584381专利申请（结合在本文中作为参考）公开了通过相中连接并且通过如下步骤表征的神经网络的应用预测原油的性质的方法：确定未知原油的T2 NMR松弛曲线并将其转换为对数松弛曲线；选择处于特征表格上的对数松弛曲线的值；将选定的值登记为反向传播类的多层神经网络的输入数据，通过遗传算法修整并优化；通过修整和优化的神经网络预测未知原油的物理-化学因素。

可用的公布文献G. J. Hirasaki, Sho-Wei Lo, Y. Zhang的"NMR properties of petroleum reservoir fluids"（目前可从http://www.researchgate.net/publication/ 10670196_NMR_properties_of_petroleum_reservoir_fluids/links/00b7d52a880594cfa5000000.pdf得到）以及Maddinelli, G., L. Del Gaudio, 和U. Cornaro. "Characterization of petrochemical products by the application of a mobile NMR instrument." Magnetic Resonance Imaging 25.4 (2007): 571结合于本文中作为参考。

Sorokin的US 20120305383(Sorokin专利，该专利结合于本文中作为参考)公开了用于处理原油、原油成分，或其混合物以将烃流的成分转化成沸点低于处理前所述成分的沸点的产物。该过程包括使原油用超声振动和电磁场发生器发出的电磁场处理；其中所述电磁场发生器发出的电磁场包括待用超声振动暴露处理的原油发出的电磁场调节的电磁场的成分。Sorokin专利关注用于处理原油、原油成分，或其混合物以增加其轻质烃含量的方法和设备。因此，Sorokin暗示一种用于处理原油、原油成分，或其混合物的过程，其中新颖的概念是，电磁场由如下装置发出：（a）电磁场发生器；或（b）超声波发生器，其包括待用超声振动暴露处理的原油发出的电磁场调节的电磁场的成分。

Nov Downhole Eurasia Limited和University Of Nottingham 的WO 2013110944 专利申请(Nov专利，该专利结合于本文中作为参考)公开了一种将用于烃成分从包括烃成分和水成分的材料基质中分离出来的装置，该装置包括进料器，设置成通过处理室进给物料，该处理室包括对微波基本透明的窗口；微波发射器，设置成用于使在处理室中的进料通过窗口暴露于微波中以便使基质的至少部分水成分快速加热，以形成蒸汽，从而将至少部分烃成分从基质中移除；其中进料器和处理室设置成，在使用时，处理室大致用材料基质充满。本发明解决的问题是烃通常混合在其它固体材料，比如沙子、泥土，或石块的基质内，并且经常需要将烃从这样的基质中分离开或移除。例如，全世界的烃储备中的大部分存在于油砂中，并且为了提取石油，必须将烃从与其混合的沙子中分离开。

Petrosonic Energy Inc.的 US 20130277275 (Petrosonic专利)公开了一种用于处理重质原油（HCO）的方法，其包括将HCO与含有溶剂的烷烃结合以形成HCO/溶剂混合物，从而以声频对该混合物进行超声处理以从HCO/溶剂混合物中沉淀沥青烯，并将沉淀的沥青烯从HCO/溶剂混合物分离开。

类似地，US 8323479专利公开了一种将含硫重质原油转化成具有较低的硫含量和较低的分子量的轻质原油的方法。该方法为使用受控的空蚀的低温方法。专利申请US2002125174描述了一种利用酸和声波处理的结合降低原油的粘度和残留物的方法。专利申请US2013213795A描述了可以使用微波（MW）和/或射频(RF)能量提高重质化石烃(HFH)至各种增值的化学制品和/或燃料的转化。反应物、工艺参数，和反应器设计的变化可显著影响作为产物产生的化学制品和燃料的相对分布。在一个实施例中，用于HFH微波快速转换的系统包括源极，集中反应区中微波或RF能量使压力大于0.9 Atm；具有HFH的连续进料和穿过反应区的工艺气体；至少在反应区接触HEH的HFH-至-流体催化剂，以及反应区内的电介质放电。HFH和催化剂在反应区的停留时间小于30秒。在一些情况下，在或接近反应区形成等离子体。US5181998专利描述了在至少一种等离子体引发剂存在的情况下，可以使用微波能量通过与在氢供体辐射期间形成的产物接触提升低值烃。所有这些专利和申请结合于本文中作为参考。

因此，仍然对提供用于原油提升的、工业规模的、内联的、在线的、准确的基于NMR的系统及其方法有长久需求。

具体实施方式

现在参见图1，该图展示了基于NMR的系统（10）的框图，该系统用于分析如下性质的中的至少一种或多种：(i)原油性质；(ii)原油的原油流变。该系统（10）包括NMR设备（11），该NMR设备（11）被配置成提供时间和/或批分辨的NMR分析和/或原油流变曲线。该NMR具有一条或多条原油流入管（13）并与原油冶炼设施（12）流体连接（14）。改进之处在于，所述系统进一步包括计算机可读介质（CRM，15），或以其它方式与计算机可读介质（CRM，15）通讯，计算机可读介质被配置成储存想要的原油产物（标准原油产物，SCOP）的可检索的原油NMR分析和/或原油流变曲线，从而提供系统装置以比较或以其它方式验证SCOP的NMR分析和/或原油流变曲线与所述时间或批分辨的原油。

现在参见图2，该图展示了基于NMR的系统（20）的框图，该系统用于（a）分析以下性质中的一种或多种：(i)原油性质，(ii)原油的原油流变；以及（b）提升原油。该系统包括用于提供时间和/或批分辨的NMR分析和/或原油流变曲线的NMR设备(11)。该NMR具有至少一条原油流入管（13），并与原油冶炼设施（12）流体连接（14）。该系统进一步包括计算机可读介质，该计算机可读介质被配置成储存想要的原油产物（标准原油产物，SCOP）的可检索的原油NMR分析和/或原油流变曲线，从而提供系统装置以比较所述SCOP的NMR分析和/或原油流变曲线与所述时间或批分辨的原油。在此，改进之处在于：该系统进一步包括原油提升系统（COES），该原油提升系统经由至少一个NMR原油出口(22)与所述NMR或多个NMR互相连接。该COES适于裂解烃油，从而提升其性质。

现在参见图3A，该图展示了用于原油提升的、工业规模的、内联的、在线的、准确的基于NMR的系统(30)及其方法的框图，该基于NMR的系统（30）用于（a）分析以下性质中的一种或多种：(i)原油性质，(ii)原油的原油流变；以及（b）提升原油。该系统包括：除了其它之外，用于提供时间和/或批分辨的NMR分析和/或原油流变曲线的NMR设备(11)。该NMR具有原油流入管（13），并与原油冶炼设施（12）流体连接（14）。该系统进一步包括计算机可读介质，该计算机可读介质被配置成储存想要的原油产物（标准原油产物，SCOP）的可检索的原油NMR分析和/或原油流变曲线，从而提供系统装置以比较所述SCOP的NMR分析和/或原油流变曲线与所述时间或批分辨的原油。该系统进一步包括原油提升系统（COES），该原油提升系统经由至少一个NMR原油出口(22)与所述NMR互相连接。该COES适于裂解烃油，从而提升其性质。在此，改进之处在于：NMR进一步包括与COES流体连接的COES处理的原油的出口(COES-O, 31)。

现在参见图3B，该图展示了上述定义的基于NMR的系统(30)的框图，其中该NMR (或NMRs)包括至少一个第一探针(11A) 和至少一个第二探针 (11B)。这两个（或更多个）NMR探针因此将NMR配置成提供并存地（探针1和探针2一起，同时）或交替地（探针1，接着探针2，反之亦然）在所述至少一个第一探针和至少一个第二探针中流动的原油的时间分辨或批分辨的NMR分析和/或流变曲线。

在本发明的范围中，基于NMR的系统包括至少一个第二探针，该至少一个第二探针被配置成提供COES处理的回收原油的时间分辨或批分辨的NMR分析和/或流变曲线。

同样在本发明的范围中，基于NMR的系统被配置成分析并提升原油。该系统通过NMR和原油提升系统（COES）表征，该NMR与原油入口（COI）和原油出口(COO)流体连接，该原油提升系统通过所述COO与NMR互相连接。该NMR包括，除了其它之外，与所述COI以流体连接的至少一个第一探针，并且被配置成用于分析在所述探针内的原油性质和/或用于描述所述原油的流变曲线。该COES除了其它的之外，包括电感器、电磁或机械振动器、粒子辐射发射器、电弧中的气体过热器、超声波仪、超声振动发生器、射频发射器（例如，RF辐射频率在0.1 MHz至300 MHz之间）及其任意组合中的一个或多个元件。

在本发明的范围内，基于NMR的系统被配置成在炼油厂之前用于分析和提升原油的性质，并且该系统通过如下装置表征(a)NMR，该NMR包括至少一个第一探针，该第一探针被配置成能进行原油的NMR分析和/或流变曲线，所述探针与NMR的原油入口(NMR-I)和NMR的原油出口(NMR-O)流体连接；以及(b)原油提升系统(COES)。该COES包括一个或多个原油裂解模块，其选自电感器、电磁或机械振动器、粒子辐射发射器、电弧中的气体过热器、超声波仪、超声振动发生器、射频发射器及其任意组合(COCMs)，所述COCMs中的至少一个与所述NMR-O和NMR-I流体连接。

同样在本发明的范围内，该NMR进一步包括至少一个第二探针，从而使该至少一个第二探针配置成提供并存地或交替地在所述至少一个第一探针和至少一个第二探针中流动的原油的时间分辨的NMR分析和/或流变曲线。

同样在本发明的范围内的是，该至少一个第二探针被配置成提供所述经处理的回收原油的时间分辨的NMR 分析和/或流变曲线。

现在参见图4，该图展示了提升原油的方法的流程图。该方法包括如下步骤：（a）提供NMR，该NMR通过NMR原油出口(NMR-O)和COES原油出口与(COES-O)原油提升系统(COES)以流体连接，NMR原油出口使被分析的原油从所述NMR流至所述COES，COES原油出口将经处理的原油从所述COES回收至NMR入口；（b）通过计算机可读介质储存在所述COES(标准原油产物)中处理的想要的产物的NMR分析和/或流变曲线；（c）使COES设有至少一个原油裂解模块(COCM)并通过所述NMR-O使其与所述NMR连接；（d）通过所述至少一个COCM处理所述经分析的原油；（e）将至少一部分所述经处理的原油通过所述COCM-O从所述COES回收至所述NMR；（f）使所述经处理的原油成像，检验其NMR分析和/或流变曲线；（g）比较所述标准原油产物（步骤d的原油）与所述经处理的原油（步骤f的原油）的NMR分析和/或流变剖面；以及（h）如果所述NMR分析和/或流变曲线是相同的或处于预定义限度内，使所述原油流入炼油厂；如果所述NMR分析和/或流变曲线不相同或处于预定义限度外，通过所述COES回收所述原油以进一步处理。

在本发明的范围内，前述步骤（a）进一步包括如下步骤：提供所述NMR，所述NMR具有至少一个第一探针并使所述至少一个第一探针配置用于原油的时间分辨分析，以及至少一个第二探针，并使所述至少一个第二配置用于原油的时间分辨分析；并存地或交替地在所述至少一个第一探针和至少一个第二探针中流动且成像。

在本发明的范围内，所述方法进一步包括配置所述第二探针以提供所述经处理回收原油的时间分辨的NMR分析和/或流变曲线步骤。

同样在本发明的范围内，提供一种用于提供时间和/或批分辨的NMR分析和/或原油流变曲线的方法。该方法包括如下步骤：（a）提供具有原油流入管(13)的NMR以及到原油冶炼设施(12)的流体连接件(14)；（b）提供计算机可读介质，其被配置成储存想要的原油产物的可检索的原油NMR分析和/或原油流变曲线；以及（c）比较想要的原油产物的所述原油NMR分析和/或原油流变曲线与所述时间和/或批分辨的NMR分析和/或原油流变曲线。

同样在本发明的范围内，提供一种用于提供时间和/或批分辨的NMR分析和/或原油流变曲线的方法。该方法包括如下步骤：（a）提供具有原油流入管(13)的NMR和具有原油冶炼设施(12)的流体连接件(14)；（b）进一步提供计算机可读介质，其被配置成储存想要的原油产物的可检索的原油NMR分析和/或原油流变曲线；（c）进一步使原油提升系统(COES) 通过NMR原油出口（22）与所述NMR互相连接；（d）比较所述想要的原油产物的所述原油NMR分析和/或流变曲线与所述时间和/或批分辨的NMR分析和/或原油流变曲线；以及（e）根据所述批分辨的NMR分析和/或原油流变曲线与所述想要的原油产物的所述NMR分析和/或流变曲线的相似度裂解所述原油。

同样在本发明的范围内，提供一种用于提供时间和/或批分辨的NMR分析和/或原油流变曲线的方法。该方法包括如下步骤：（a）提供具有原油流入管(13)的NMR和具有原油冶炼设施(12)的流体连接件(14)；（b）进一步提供计算机可读介质，其被配置成储存想要的原油产物的可检索的原油NMR分析和/或原油流变曲线；（c）进一步使原油提升系统(COES) 通过NMR原油出口（22）与所述NMR互相连接，并进一步包括与所述NMR以流体连接的COES处理的原油的出口(COES-O, 31)；（d）比较所述想要的原油产物的所述原油NMR分析和/或流变曲线与所述时间和/或批分辨的NMR分析和/或原油流变曲线；以及（e）根据所述批分辨的NMR分析和/或原油流变曲线与所述想要的原油产物的所述NMR分析和/或流变曲线的相似度裂解所述原油。同样在本发明的范围内，该方法另外地包括如下步骤：使所述NMR设有至少一个第一探针(11A)和至少一个第二探针(11B)，从而使所述NMR被配置成提供并存地或交替地在所述至少一个第一探针和至少一个第二探针中流动的原油的时间分辨的NMR分析和/或流变曲线。同样在本发明的范围中，该方法另外地包括使所述第二探针配置成提供所述经处理回收原油的时间分辨的NMR分析和/或流变曲线的步骤。

在本发明的范围内，上述定义的方法和系统被配置成使ANSI/ISA 76.00.02-2002 Modular Component Interfaces for Surface-Mount Fluid Distribution Components – Part1: Elastomeric Seals," Instrumentation, Systems, and Automation Society (ISA), Compositional Analyzers Committee, (2002)能实现。

上述本发明的各种代表性实施例的总结并非意为描述本发明的每个实施例或每种器具。相反，选择和描述该实施例使得本领域其它技术人员可以领会并了解本发明的原理和实践。附图和详细的描述更具体地示范这些实施例。