使用两级膜方法的CO2排除方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种处理在刺激地下地层之后离开井场的返排流体的系统和方法。本发明专利技术在气体含有按体积计高浓度CO2的期间利用两级膜方法，并且允许从天然气组分中分离CO2，从而向气体收集系统提供管道质量的天然气(大约5体积％CO2)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用两级膜方法的CO2排除方法和系统
本专利技术涉及一种用于处理在刺激地下地层之后离开井场的返排流体的方法和系统。
技术介绍
使用水、二氧化碳和其它载液对各种地下地层的压裂已经实施了一段时间。本领域技术人员将理解，如本文所用的压裂液、载气或简单地说气体是指液相、气相、超临界流体或它们的组合。通常，在分离任何固体、液体和/或油之后，用基于CO2的压裂液(可包括水或一些其它流体)刺激的井释放出初始原料流体(常常被称为返排流体)，该流体为压裂液CO2和储层流体的混合物。因此，返排流体可含有天然气、其它烃类和污染物，诸如硫化氢(H2S)、水(H2O)和CO2。来自于用基于CO2的压裂液刺激的井的初始气体流含有高CO2浓度(80-100％)，其中气体的剩余部分由甲烷、其它轻质烃类、水和微量组分形成。如果在此期间没有进行气体处理，则由于CO2含量太高而不能行进到气体采集管道中，将需要燃烧整个气体流。随着气体继续流动，返排CO2浓度随时间下降，使得大约10-30天后，CO2浓度降至5-10％CO2或更低的水平。来自井的流体直到该流体低于规定的最大CO2浓度才能作为产物被送到下游加工设施或管道，。对用于下游加工设施或管道气体的CO2浓度的要求通常在2-10摩尔％的范围内。在许多情况下，流体/气体被排出或燃烧直到其满足CO2浓度规格，此时其可用作产物。当返排流体含有>70％CO2时，燃烧操作需要添加天然气来保持或以其它方式使燃烧操作自我维持。因此，离开井的流体中所含有的有价值的烃类最初被浪费，并且利用了另外的天然气。本专利技术的一个目的是提供一种用于处理返排气体的方法和系统，其中在气体含有按体积计高浓度CO2的期间利用两级膜方法、从天然气组分中分离CO2并且向气体收集系统提供管道质量的天然气(大约5体积％CO2)。次要目的是回收可冷凝的烃类并且将这些液体提供给现场储存系统。从返排气体中冷凝的液体在本文中被描述为天然气液或NGL。另一个目的是从新压裂的井的返排流体中回收CO2，其可被液化和再利用，以用于压裂附近的井，并且减少向常常位于远处的井提供大量液态CO2的物流问题。如在2014年1月28日提交、以引用方式并入本文的美国专利申请序列号14/166,304中所教导，为了能够结合本文所述的系统回收CO2将需要另外的设备。使用本专利技术的方法和系统允许在井生产的较早时间点回收有价值的天然气和天然气液，并且避免在初始气体流的初始30天左右期间燃烧整个井输出。此外，本专利技术的方法和系统允许：(a)降低为井压裂提供CO2的成本；(b)降低燃烧操作所必需的天然气消耗量；以及(c)独立回收气态烃和液态烃。对于本领域的普通技术人员来说，在查看说明书、附图和所附权利要求书之后，将清楚了解本专利技术的其它目的和方面。
技术实现思路
本专利技术涉及一种处理在刺激地下地层之后离开井场的返排流体的系统和方法。本专利技术在气体含有按体积计高浓度CO2的期间利用两级膜方法，并且允许从天然气组分中分离CO2，从而向气体收集系统提供管道质量的天然气(大约5体积％CO2)。在一个实施方案中，本专利技术涉及一种利用两级膜系统加工来自井场的返排流体的方法。该方法包括：任选地在预处理单元中加工离开井眼的返排气体以便从流体中去除不期望的物质，包括但不限于水、固体颗粒、液态烃、硫化氢或它们的组合中的任一种，以获得预处理的返排流体；在预处理单元下游的第一级膜单元中加工所述(预处理的)返排流体，以从预处理的返排流体中分离水和/或水蒸气，从而形成富水渗透物流和贫水返排物流；在所述第一级膜单元下游的第二级膜单元中加工所述贫水返排物流，以从所述贫水返排物流中分离出CO2，从而形成富二氧化碳渗透物流和富含烃类的贫二氧化碳返排物流。在另一个实施方案中，本专利技术涉及一种用于加工在刺激地下地层之后来自井眼的返排流体的系统。该系统包括：任选地，预处理单元，其用于接收并加工来自井场的返排流体，并且从流体中去除不期望的物质，包括但不限于水、固体颗粒、液态烃、硫化氢或它们的组合中的任一种；预处理单元下游的第一级膜单元，其用于接收来自该预处理单元的预处理返排流体并且从预处理的返排流体中分离出水和水蒸气，从而形成富水渗透物流和贫水返排物流；所述第一级膜单元下游的第二级膜单元，其用于接收来自所述第一级膜单元的贫水返排物流，以从所述贫水返排流体中分离二氧化碳，从而形成富二氧化碳渗透物流和富含烃类的贫二氧化碳返排物流。一旦系统进料中的CO2浓度下降到较低的范围，第二级膜中的焦耳-汤姆逊冷却作用就会降低，使得第二级的温度将高于可能形成固体的温度。根椐气体的组成和气体物流的条件，可形成的固体将包括例如气体水合物或水冰。估计可能发生固体形成的温度的方法是本领域中已知的，并且在固体水冰的情况下，这一温度是水的凝固点。当发生这种情况时，第一级膜单元可被绕过，并且离开井的返排气体可直接送到第二级膜单元以去除CO2；不再需要第一级除水膜单元。绕过第一级膜单元将降低系统中的烃损失。可绕过第一级膜的点将取决于入口气体中的CO2浓度和入口气体温度两者。例如，在入口气体温度为约120℉的情况下，当入口CO2浓度已经降到低于50-55体积％时，可绕过第一级膜。另选地，现在参见图1，当离开膜单元2(X-101)的滞留物流(13)的温度高于选择来避免形成固体(诸如气体水合物或水冰)的期望温度极限时，可启动第1级旁路操作。在冰的情况下，例如温度极限是水的凝固点，使得将采用高于约32℉的预设温度，在另一个实施方案中高于约35℉。当离开井场的贫二氧化碳返排物流中的返排气体CO2浓度已经下降到低于收入采集系统中的规格(通常在约2体积％至约10体积％CO2的范围内)，可终止系统操作，并且可将离开井的所有返排气体直接送到采集系统。根据本专利技术的优选实施方案的以下详细描述并结合附图，将更好地理解本专利技术的目标和优点，在附图中，类似的数字通篇指代相同的特征部。附图说明图1是用于处理离开井场的返排流体的系统和相关联的方法的示意图。表2示出根据本专利技术的CO2排除方法的性能。具体实施方式本专利技术提供一种用于处理紧随刺激地下地层之后离开井场的返排流体直到返排气体的浓度接近储层(不管何种地层)中的天然CO2浓度的系统。一旦返排气体CO2浓度已经下降到低于收入采集系统中的规格(通常在约2％至约10％CO2的范围内)，就可终止系统操作，并且可将离开井的所有返排气体直接送到天然气管道或加工厂。本文所详细解释的本专利技术的方法和系统利用两级膜方法来处理返排气体。本专利技术的目的是在紧随CO2刺激地层之后的期间内处理返排气体，其中离开井眼的气体含有大量的二氧化碳，即大约5-80体积％CO2。一旦CO2与天然气组分分离并且CO2降低到可接受的水平，就可向气体收集系统供应管道质量的天然气(大约5体积％CO2)。系统允许在井生产的较早时间点回收有价值的天然气和天然气液，并且避免在初始气体流期间燃烧整个井输出。整个系统或该系统的部分可被设计为可移动的。在返排气体的CO2含量自然下降到低水平之后，该系统不再是这个特定的井所需要的，并且可将该系统重新安置到需要排除CO2的另一个井。除了向气体收集系统供应管道质量的天然气之外，次要目的是回收可冷凝的烃类(天然气液)，并且向现场储存系统提供这些液体。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于处理在CO2刺激地下地层之后离开井场的返排气体的两级膜方法，其中所述方法包括：在第一级膜单元中加工离开井场的所述返排气体，以从所述返排气体中分离水和水蒸气，从而形成富水渗透物流和贫水返排物流；在所述第一级膜单元下游的第二级膜单元中加工所述贫水返排物流，以从所述贫水返排物流中分离出CO2，从而形成富二氧化碳渗透物流和富含烃类的贫二氧化碳返排物流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.25 US 62/137880;2016.03.17 US 15/0729691.一种用于处理在CO2刺激地下地层之后离开井场的返排气体的两级膜方法，其中所述方法包括：在第一级膜单元中加工离开井场的所述返排气体，以从所述返排气体中分离水和水蒸气，从而形成富水渗透物流和贫水返排物流；在所述第一级膜单元下游的第二级膜单元中加工所述贫水返排物流，以从所述贫水返排物流中分离出CO2，从而形成富二氧化碳渗透物流和富含烃类的贫二氧化碳返排物流。2.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述第一级膜单元中加工所述返排气体之前预处理所述返排气体。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述预处理包括以下中的一项或多项：调整进料物流的压力、调整所述进料物流的温度，和/或去除水、固体颗粒、液态烃、硫化氢或它们的组合中的任一种。4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一级膜单元中加工所述返排流体直到离开所述第二级膜单元的滞留物流(13)的温度高于可能形成固体的温度，之后绕过第一级膜单元1并且将离开所述井的所述返排气体直接引导至所述第二级膜单元2。5.根据权利要求4所述的方法，其中在所述第一级膜单元中加工所述返排流体直到离开所述第二级膜单元的滞留物流(13)的温度高于水的凝固点，之后绕过第一级膜单元1并且将离开所述井的所述返排气体直接引导至所述第二级膜单元2。6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第二级膜单元中加工所述返排气体直到离开所述井场的所述返排流体中的CO2浓度已经下降到约2体积％至约10体积％CO2的范围，之后终止所述系统操作并且将所有返排气体直接送到采集系统。7.根据权利要求1所述的方法，还包括在高压天然气分离器中加工离开所述第二级膜单元的所述富含烃类的贫二氧化碳返排物流，所述高压天然气分离器被构造成从所述物流中分离任何冷凝液体，从而形成冷凝液体物流和富含烃类的高压气体物流。8.一种用于加工在CO2刺激地下地层之后离开井场的返排流体的系统，其中所述方法包括：第一级膜单元，所述第一级膜单元被构造成从所述返排流体中分离水和水蒸气，从而形成富水渗透物流和贫水返排物流；所述第一级膜单元下游的第二级膜单元，所述第二级膜单元被构造成接收所述贫水返排物流并从所述贫水返排物流中分离出CO2，从而形成富二氧化碳渗透物流和富含烃类的贫二氧化碳返排物流。9.根据权利要求8所述的系统，还包括预处理单元，所述预处理单元被构造用于在所述第一级膜单元中加工所述返排气体之前预处理所述返排气体。10.根据权利要求9所述的系统，其中所述预处理单元被构造成调整进料物流的压力和/或调整所述进料物流的温度。11.根据权利要求10所述的系统，其中所述预处理单元被构造成从所述进料物流中去除水、固体颗粒、液态烃、硫化氢或它们的组合中的至少一种。12.根据权利要求8所述的系统，其中在所述第一级膜单元中加工所述返排流体直到离开所述第二级膜单元的滞留物流(13)的温度高于可能形成固体的温度，之后绕过第一级膜单元1并且将离开所述井的所述返排气体直接引导至所述第二级膜单元2。13.根据权利要求12所述的系统，其中在所述第一级膜单元中加工所述返排流体直到离开所述第二级膜单元的滞留物流(13)的温度高于水的凝固点，之后绕过第一级膜单元1并且将离开所述井的所述返排气体直接引导至所述第二级膜单元2。14.根据权利要求8所述的系统，其中在所述第二级膜单元中加工所述返排气体直到离开所述井场的所述返排流体中的CO2浓度已经下降到约2体积％至约10体积％CO2的范围，之后终止所述系统操作并且将所有返排气体直接送到采集系统。15.根据权利要求8所述的系统，还包括所述第二级膜单元下游的高压天然气液分离器，所述高压天然气液分离器用于接收所述富含烃类的贫二氧化碳返排物流并从所述物流中分离任何冷凝液体，从而形成冷凝液体物流和富含烃类的高压气体物流。16.根据权利要求15所述的系统，还包括所述高压天然气液分离器下游的产物分离单元，所述产物分离单元用于接收所述冷凝液体物流和所述富含烃类的高压气体物流，其中所述产物分离器任选地包括用于加热所述富含烃类的高压气...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·L·柏格斯，R·A·诺瓦克，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US