BRPI0707699A2 - injeÇço de gÁs de combustço enriquecido com diàxido de carbono para recuperaÇço de hidrocarboneto - Google Patents

Abstract

INJEÇçO DE GÁS DE COMBUSTçO ENRIQUECIDO COM DIÕXIDO DE CARBONO PARA RECUPERAÇçO DE HIDROCARBONETO. A presente invenção refere-se a um processo de recuperação acentuada de óleo e gás. Um gás de combustão enriquecido é sintetizado a partir de utilidade de gás de combustão de usina elétrica, O gás de combustão enriquecido é personalizável para exigências específicas; contudo, o gás formado apresenta uma alta concentração de dióxido de carbono. Este é usado como uma injeção para acentuar a liberação de gás e/ou óleo de formações subterrâneas. A injeção eleva recuperação enquanto seqúestra dióxido de carbono da fonte de usina elétrica.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "INJEÇÃO DEGÁS DE COMBUSTÃO ENRIQUECIDO COM DIÓXIDO DE CARBONOPARA RECUPERAÇÃO DE HIDROCARBONETO".

Campo Técnico

A presente invenção refere-se à recuperação acentuada de hi-drocarboneto. Mais especificamente, a presente invenção refere-se à recu-peração acentuada de óleo e gás e seqüestro de dióxido de carbono usandogás de combustão enriquecido com dióxido de carbono.

Antecedentes da Técnica

Gás de estufa tornou-se uma preocupação que aumenta pro-gressivamente no meio ambiente e acredita-se estar contribuindo para pa-drões não-característicos de tempo e flutuações de temperatura.

As fontes antromórficas de dióxido de carbono são amplamentede uso industrial e automotivo. Em termos da fonte industrial, usinas gerado-ras de energia elétrica fatoram pesadamente na equação. Como são típicas,usinas elétricas norte-americanas empregam carvão, gás natural, óleo com-bustível, interalia, para criar vapor sob alta pressão que é em seguida usadopara acionar turbinas a vapor ou usado em motores a diesel e turbina a gásdiretamente de produção de força elétrica. Essas, naturalmente, criam emis-sões de dióxido de carbono, exacerbando o problema de emissões.

Vários estudos e tentativas foram recentemente desenvolvidos para levarvantagem dos volumes de dióxido de carbono para recuperação acentuadade óleo e gás em formações subterrâneas. Sabe-se bem que tais formações,apesar de ter sido anteriormente produzidas ao grau mais economicamentepraticável, todavia contêm vastas reservas de óleo e gás. Injeção de gás decombustão tem presentemente proporcionado um caminho economicamenteviável para continuar a produzir as formações uma vez produzidas. Comouma característica concomitante, dióxido de carbono pode ser seqüestradona formação eliminando desse modo preocupações de manuseio e assegu-rando complacência com as exigências rigorosas do acordo de Kyoto.

Processos de recuperação acentuada de hidrocarbonetos usamgases miscíveis e imiscíveis tais como gás natural, líquidos de gás natural,dióxido de carbono, nitrogênio, ou gases de combustão através de combus-tão que mantêm pressão, repressurizados ou expandem-se em um reserva-tório para impulsionar óleo ou gás natural adicional para a perfuração de po-ços, ou uso dó mesmo ou outros gases para dissolver no óleo para baixarsua viscosidade e aumentar sua vazão.

Captura e armazenagem permanente de dióxido de carbono emformações geológicas tornam-se uma opção progressivamente popular deseqüestro de emissões de dióxido de carbono a partir de processos industri-ais e geração de força ativada por carvão. O Governo dos Estados Unidosestá atualmente desenvolvendo políticas para incentivar seqüestro geológicocom a visão de redução de emissão a longo prazo.

Os custos relacionados com captura de dióxido de carbono apartir de usinas elétricas, e fontes de dióxido de carbono de alta pureza sãoaltos, entre 20 e 200 dólares americanos por tonelada métrica de emissõesde dióxido de carbono. Captura e seqüestro de 90 por cento do dióxido decarbono de uma nova usina elétrica nos Estados Unidos estima-se adicionar0,02 dólar americano por quilowatt-hora ao custo da eletricidade, com 75 a80 por cento do custo para a captura, tratamento e injeção. Considerandoque tecnologia de captura é um aspecto crítico de projeto de usina, instalartecnologia de captura sob facilidades existentes apresenta custos muito al-tos. A presente invenção não apenas aborda captura, mas adicionalmenteresulta em recuperação econômica de hidrocarbonetos anteriormente não-economicamente recuperáveis e proporciona energia de excesso utilizável.Aplicabilidade Industrial

Os aspectos da invenção são aplicáveis na indústria de óleo egás.

Descrição da Invenção

Conseqüentemente, um objetivo da presente invenção é propor-cionar um método de recuperação de óleo e/ou gás terciário aperfeiçoadousando um gás de combustão enriquecido com CO2, cujo método é obser-vante de preocupações de gás de estufa. Um objetivo adicional importantede uma modalidade da presente invenção é proporcionar um mecanismo deseqüestro de dióxido de carbono.

Um objetivo adicional de uma modalidade da presente invençãoé proporcionar um método de acentuar produção de óleo e gás de uma for-mação subterrânea contendo pelo menos um de gás e óleo, método esteque compreende proporcionar uma unidade de conversão de energia, recu-perando gás de combustão da unidade de conversão de energia, recirculan-do o gás de combustão para essa unidade de conversão de energia paraformar um vapor enriquecido com dióxido de carbono, e injetando o vaporenriquecido com dióxido de carbono na formação subterrânea para recupe-rar pelo menos um do gás e óleo.

De acordo com um outro objetivo de uma modalidade da presen-te invenção, proporciona-se um método para acentuar produção de óleo egás a partir de uma formação subterrânea contendo pelo menos um de gáse óleo, método este que compreende proporcionar uma unidade de conver-são de energia, proporcionando uma fonte de gás de combustão, recirculan-do o gás de combustão para a unidade de versão de energia para formaruma corrente enriquecida com dióxido de carbono, e injetando o vapor enri-quecido com dióxido de carbono na formação subterrânea para seqüestro dedióxido de carbono na formação.

Convenientemente, em termos do uso de combustível para oprocesso, o método pode utilizar qualquer fonte econômica de combustível,tais como gás natural, gás ácido, gás de solução, combustível diesel, óleopesado, betume, resíduo de vácuo, asfalteno, carvão, coque de petróleo(petcoké), biomassa ou qualquer produto de resíduo combustível adequado.Por razões econômicas, prefere-se que a matéria-prima (feedstock) para ocombustível seja uma fonte de baixo custo, tal como, de uma fração de be-tume pesado ou extrapesado ou óleo pesado, tal como resíduo atmosféricoou vácuo, asfalteno ou resíduo craqueado (visbroken residue). Essas maté-rias-primas são usadas para criar o óleo Multiphase Superfine Atomized Re-sidue (MSAFf) em combustível de emulsão em água. Esse combustível al-ternado é emulsificado na fase aquosa contínua de 10 a mais de 35% empeso para criar um combustível líquido facilmente manuseado que apresentacaracterísticas similares de queima como gás natural. O óleo pesado é pré-disperso em água com química de tensoativo para produzir um tamanho degotícula consistente. O benefício imediato é que o combustível alcança maisde 99,99% de queima (burnouf) de carbono com características similares dequeima como é o caso de gás natural, em termos de comprimento da chamae fluxo térmico radiante. O benefício líquido é que a fração menos valiosa damatéria-prima é feita para um combustível útil que pode ser diretamente a-daptado para uma caldeira ou forno de gás natural como uma substituiçãoeconomicamente viável de gás natural dispendiosa.

Essas e outras características, aspectos e vantagens da presen-te invenção tornam-se melhor entendidas com relação à descrição seguintee figuras anexas.

Breve Descrição das figuras

A figura 1é uma ilustração esquemática do sistema total da pre-sente invenção de acordo com uma primeira modalidade;

a figura 2 é uma ilustração esquemática do sistema total da pre-sente invenção de acordo com uma segunda modalidade;

a figura 3 é uma representação gráfica da exigência de oxigêniopara enriquecimento com dióxido de carbono de gás de combustão em umabase seca; e

a figura 4 é uma representação gráfica da exigência de oxigêniopara enriquecimento com dióxido de carbono de gás de combustão em umabase úmida.

Para o propósito da presente invenção, os seguintes termos sãodefinidos abaixo.

GHG refere-se a gás de estufa;

FGT refere-se a tratamento de gás de combustão;

FGR refere-se à recirculação de gás de combustão; HP refere-se à alta pressão;

BFW refere-se à água alimentadora de caldeira;

OTSG refere-se a uma vez por meio de gerador a vapor; e

ECU refere-se à unidade de conversão de energia.Modos de Realização da Invenção

Referindo-se agora à figura 1, é mostrada uma ilustração es-quemática de uma possível modalidade do aparelho para prática do método.Número 10 globalmente denota os elementos.

Uma operação de unidade de separação do ar (não mostrada)na figura 1, separa oxigênio e nitrogênio em uma corrente de ar para propor-cionar 90% ou gás oxigênio de maior pureza 12 para uso no processo. Essaé exemplar; variações são possíveis dependendo da situação. Combustível14, que poderá ser selecionado dos exemplos não-limitativos de gás natural,gás ácido, gás de solução, óleo combustível, combustível diesel, combustí-vel de emulsão, resíduo, biomassa, carvão e coque de petróleo (petcoke), émisturado com oxigênio 12 e 16 formando uma mistura de combustível paraintrodução em uma unidade de conversão de energia, genericamente repre-sentada por número 18. A unidade de conversão de energia poderá compre-ender qualquer dispositivo adequado tal como um circuito gerador de vaporde ciclo simples, convencional ou supercrítico Com um gerador elétrico deturbina a vapor adequado ou compressores acionados por turbina a vapor.Outros arranjos adequados incorporam uma unidade simples, ou combinadade cogeração (cogen) de turbina a gás modificada com um gerador de vaporde recuperação térmica (HRSG). Uma possibilidade adicional poderá ser ummotor a diesel de velocidade lenta acionando um gerador elétrico e/ou com-pressor a gás. A unidade específica ou combinação de unidades dependerádos parâmetros de projeto.

Como um exemplo, de sítios específicos de produção de hidro-carboneto, uma facilidade de geração elétrica típica seria dimensionada nafaixa de 10 a 500 megawatts ou em fases desse tamanho adequadas a sa-tisfazer demandas de força e criar volumes de injeção de dióxido de carbonosuficientes para a recuperação acentuada de hidrocarboneto. Os dispositivosacionados a vapor notados acima poderão também incluir de uma vez gera-dores a vapor (OTSG), caldeiras acondicionadas convencionais, caldeiras deutilidade convencional e caldeiras de leito fluido circulante (CFBs) dimensio-nadas para atender à exigência de vapor para a geração de força elétrica.Um circuito de recirculação de gás de combustão 20 é incorpo-rado no sistema de enriquecimento com dióxido de carbono. Sabe-se bemque um benefício de FGR é a redução de gás nitrogênio no gás de combus-tão e desse módo à formação de compostos NOx com o benefício conçomi-tante de um aumento na concentração de dióxido de carbono no gás decombustão. As representações gráficas nas figuras 3 e 4 representam alte-ração composicional para o gás de combustão de variações no teor de oxi-gênio. Como um exemplo, o gráfico na figura 3 ilustra a vantagem clara naquantidade de dióxido de carbono atribuída a uma alta concentração de oxi-gênio resultante do processo de ciclagem por meio da unidade de conversãode energia. A figura 4 demonstra os mesmos dados em uma base úmida.

Como será avaliado com um aumento de oxigênio para razão dear de combustão de uma concentração fixa de oxigênio, a temperatura podetornar-se elevada na medida em que parâmetros de projeto da caldei-ra/equipamento térmico podem-se exceder. Para contrapor-se a essa limita-ção, o circuito de recirculação de gás de combustão pode recircular uma cor-rente de combustão de volta à unidade de conversão de energia 18 paraextinção térmica. Como será avaliada, a quantidade de recirculação de gásde combustão dependerá dos parâmetros operacionais do equipamento.Isso imediatamente resulta em vantagens significativas, a saber:

a) eficiência acentuada da caldeira e operação;

b) maior facilidade para o projetista com relação a reajustamento("retrofitting?) de usinas existentes para o processo sem reengenharia exten-siva ou substituição de equipamento;

c) eficiência aperfeiçoada de combustão térmica;

d) emissões de NOx reduzidas; e

e) segurança aperfeiçoada;

Retornando ao processo total, a corrente 22 que sai da unidadede conversão 18, agora uma corrente de gás de combustão enriquecida,poderá em seguida ser tratada em qualquer número de etapas, globalmentedenotada por unidade de condicionamento de gás de combustão numerica-mente representada por 24. Geralmente, o gás de combustão, dependendodo ensaio do combustível poderá conter além de CO2, tais componentesprincipais como CO1 H2, O2 em excesso, SO2, SO3, NOx, N2, fuligem, cinzas,metais de vapor d'água, etc. O tratamento poderá envolver desparticulaçãoou remoção de cinzas volantes, desidratação de gás de combustão, extin-ção, dessulfurização de gás de combustão e compressão, remoção de NOx,recuperação de subproduto ou qualquer combinação destes.

Além disso, baseado em mérito econômico, métodos adicionaispoderão ser usados para recuperar os subprodutos úteis e valiosos denota-dos por número 26, tais como CO, H2, SO2, água e metais pesados em rela-ção a outras especulações comerciais comuns àqueles versados na técnica.Como uma clarificação adicional, a unidade de conversão de energia 18 po-derá ser operada com combustão do combustível em um modo subestequi-ométrico, estequiométrico ou oxigênio de excesso. Diferentes subprodutospodem ser gerados no gás de combustão enriquecido dependendo das exi-gências específicas. Tipicamente, prefere-se que o modo seja próximo deestequiométrico para produzir a maior concentração de dióxido de carbonono gás de combustão enriquecido, Em alguns exemplos, poderá ser desejá-vel utilizar os subprodutos no projeto de gás de combustão.

A energia útil 28 gerada pela unidade de conversão de energia18 como um exemplo, poderá ser força elétrica ou acionador direto paracomprimir o gás de combustão enriquecido e/ou ar de combustão/oxigênionas operações da unidade de condicionamento de gás de combustão 24.Dependendo do equilíbrio de projeto dos componentes e do volume exigidodas injeções enriquecidas com gás de combustão, energia de excesso 30poderá ser criada e vendida para mercados comerciais como força elétricade excesso.

Água residual 32 descarregada da unidade de condicionamentode gás de combustão 24 poderá ser reutilizada em outros processos. Gás decombustão para injeção condicionada é transportado via linha 34 para a for-mação subterrânea 36. O gás de combustão de injeção poderá conter maisde 30% em volume de dióxido de carbono; contudo, este se alterará depen-dendo da composição da formação 36, de acordo com a figura 2 e figura 3.A formação 36 poderá conter qualquer um ou todos de óleo, be-tume, óleo pesado, gás natural, líquidos de gás natural ou poderá ser usadapuramente para seqüestro de gás de combustão.

Os hidrocarbonetos recuperados deixam formação 36 via linha38 e poderão ser submetidos a processamento adicional. Esta é uma etapaopcional.

A composição do gás de combustão tratado é variável e depen-derá da natureza específica do teor e das propriedades físicas e químicas daformação. Avaliar-se-á que a composição de gás de combustão tratada po-derá exigir alteração composicional dinamicamente à medida que a forma-ção se altera com o tempo. Como um exemplo, a composição pode ser 50%de dióxido de carbono e 50% de nitrogênio a 70% de dióxido de carbono e30% de nitrogênio a 100% de dióxido de carbono.

Voltando à figura 2, é mostrada uma variação no processo total,em que uma unidade de recuperação térmica 23 é interposta no circuito en-tre a unidade de conversão de energia 18 e a unidade de condicionamentode gás de combustão 24. Nessa variação a unidade de recuperação térmica23 é empregada para equilibrar a energia produzida e maximizar a eficiênciatérmica do método de ciclo combinado. Esse arranjo proporciona o uso deacionadores principais, por exemplo, turbinas a gás e motores a diesel. Aunidade de recuperação térmica 23 poderá ser empregada para gerar vaporadicional dè geração de força elétrica ou ser usada para preaquecimento deágua, ar de combustão ou oxigênio para elevar a eficiência de energia dométodo.

A tecnologia apresentada tem a vantagem de acentuar recupe-ração dos valores, originalmente apropriada, um mínimo de 5%; esse repre-senta um vasto aumento nas economias de recuperação. Esta é adicional-mente aumentada pela geração de força e/ou corrente elétrica de excesso.

Em resumo, unificando os conceitos de sintetização de um gásde combustão enriquecido para injeção em uma formação de hidrocarbone-to, as seguintes vantagens adicionais são realizadas:i) redução de emissão particulada;ii) queima de carbono aperfeiçoada;

iii) uma redução de teor de N no gás de combustão resultanteem uma redução no volume maior que 60%;

iv) benefício econômico de aumento de produção de hidrocarbo-neto;

v) a ausência de oleodutos e dispositivos de compressão para ogás de combustão;

vi) auto-sustentável por geração de força e/ou corrente elétricapara controle de processo;

vii) ãutogeração de combustíveis de baixos custos, tais comocombustível de emulsão MSAR®, asfaltenos, resíduos; e

viii) eficiência acentuada de unidade de conversão de energiapor uso de O2 de excesso.

Claims (16)

1. Método de acentuar produção de óleo e gás de uma formaçãosubterrânea contendo pelo menos um de gás e óleo, método este que com-preende:proporcionar uma unidade de conversão de energia;recuperar gás de combustão a partir da dita unidade de conver-são de energia;recircular o dito gás de combustão na dita unidade de conversãode energia para formar uma corrente enriquecida com dióxido de carbono; einjetar a dita corrente enriquecida com dióxido de carbono nadita formação subterrânea para recuperar pelo menos um dos ditos gás eóleo.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, no qual gás decombustão recirculado reduz a temperatura da dita unidade de conversão deenergia.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, no qual a dita cor-rente enriquecida com dióxido de carbono é tratada em pelo menos uma o-peração de unidade de condicionamento para modificar a dita corrente enri-quecida com dióxido de carbono antes de injeção.

4. Método de acordo com a reivindicação 3, no qual o dito condi--1 cionamento compreende uma operação de unidade selecionada do grupoque consiste em desparticulação, dessulfurização de gás de combustão, ex-tinção de gás de combustão, desidratação de gás de combustão, compres-são de gás de combustão, remoção de NOx e combinações dos mesmos.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, no qual dióxido decarbono é seqüestrado na dita formação.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, o qual adicionalmen-te inclui a etapa de recuperação de energia gerada da unidade de conversãode energia.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, o qual adicionalmen-te inclui a etapa de seletivamente recuperação de subprodutos a partir dodito método.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, o qual adicionalmen-te inclui a etapa de opcionalmente utilização os ditos subprodutos para au-mento de gás de combustão.

9. Método de acentuação de produção de óleo e gás a partir deuma formação subterrânea contendo pelo menos um de gás e óleo, métodoeste que compreende:proporcionar uma unidade de conversão de energia;proporcionar uma fonte de gás de combustão;recircular o dito gás de combustão na dita unidade de conversãode energia para formar uma corrente enriquecida com dióxido de carbono; einjetar essa corrente enriquecida com dióxido de carbono na ditaformação subterrânea para seqüestro de dióxido de carbono na dita forma-ção.

10. Método de acordo com a reivindicação 9, o qual adicional-mente inclui a etapa de seletivamente recuperação de gás e óleo a partir dadita formação.

11. Método dé acordo com a reivindicação 9, no qual o dito cir-cuito de recirculação de gás de combustão reduz a temperatura da dita uni-dade de conversão de energia.

12. Método de acordo com a reivindicação 9, no qual a dita cor-rente enriquecida com dióxido de carbono é tratada em pelo menos uma o-peração de unidade de condicionamento para modificar a dita corrente enri-quecida com dióxido de carbono antes de injeção.

13. Método de acordo com a reivindicação 12, no qual o ditocondicionamento compreende uma operação de unidade selecionada dogrupo que consiste em desparticulação, dessulfurização de gás de combus-tão, extinção de gás de combustão, desidratação de gás de combustão,compressão de gás de combustão, remoção de NOx e combinações dosmesmos.

14. Método de acordo com a reivindicação 9, o qual adicional-mente inclui a etapa de recuperação de energia gerada da dita unidade deconversão de energia.

15. Método de acordo com a reivindicação 9, o qual adicional-mente inclui a etapa de seletivamente recuperar de subprodutos a partir dodito método.

16. Método de acordo com a reivindicação 15, o qual adicional-mente inclui a etapa de opcionalmente utilizar os ditos subprodutos paraaumento de gás de combustão.