Il potenziale delle tecnologie di riscaldamento del plasma in recupero termico dell'olio pesante

I ricercatori di gas ad alta intensità, che hanno una forte viscosità di queste risorse, spesso superando i 10.000 centipoi in condizioni di serbatoio, prevengono il flusso naturale ai pozzi di produzione.

Comprendere il riscaldamento del plasma nel contesto del server

Il plasma, spesso chiamato quarto stato della materia, consiste in gas ionizzato contenente elettroni liberi, ioni positivi e particelle neutre. Quando l'energia elettrica viene applicata attraverso un gas, il gas si rompe nel plasma, che può raggiungere temperature tra i 2000 e i 10.000 esecutori; C a seconda del metodo di generazione e delle condizioni operative.

I principali meccanismi fisici in gioco includono la traspirazione termica, la fratturazione della roccia a causa dello stress termico, che può aumentare la permeabilità, e il potenziamento in-situ dell'olio attraverso la fesura parziale o l'induzione di viscolatura.

Due categorie principali di plasma sono rilevanti per il recupero di olio pesante: plasma termico e plasma non termodinamico (o freddo). Il plasma termico raggiunge l'equilibrio termodinamico tra elettroni e particelle pesanti, con conseguente alte temperature di gas di massa ideali per il riscaldamento resistivo. Il plasma non-termico opera a temperatura di massa inferiore ma con temperature di elettrone elevate, che possono guidare reazioni chimiche come il trasferimento di idrogeno o la generazione radicale libera che può contribuire a ridurre la viscosità di petrolio.

Vantaggi del riscaldamento del plasma su metodi termici convenzionali

Efficienza energetica e trasferimento di calore

L'iniezione convenzionale di vapore soffre di perdite di calore significative: anche con pozzi isolati, fughe di calore a formazioni sovrapposte e zone non produttive adiacenti. Il riscaldamento del plasma, perché genera calore direttamente nella formazione di destinazione utilizzando un generatore di fori o un raggio altamente diretto (ad esempio, plasma indotto a microonde), può raggiungere efficienze di trasferimento di energia superiore all'80%, rispetto al 30-60% per le operazioni tipiche del SAGD.

Impronte ambientali

La generazione di vapore consuma grandi volumi di acqua dolce (di solito 2–5 barili di acqua per barile di petrolio prodotto) e richiede un significativo gas naturale per il riscaldamento. Il riscaldamento del plasma utilizza l'elettricità, che può essere fonte di energia rinnovabile, energia nucleare, o gas naturale con cattura di carbonio. Quando alimentato da energia a basso tenore di carbonio, i metodi del plasma possono ottenere emissioni dirette quasi zero di CO2[FLT:]]]2][

Rapido riscaldamento e accesso profondo al Conservatorio

Il plasma può essere applicato sia in serbatoi poco profondi che in profondità, dove l'iniezione a vapore convenzionale diventa impraticabile a causa di perdite di calore. I serbatoi profondi, fino a 3.000 metri o più, presentano sfide per il vapore a causa di alte perdite di calore e vincoli di pressione.

Metodi di generazione del plasma per il recupero dell'olio pesante

Plasma di scarico dell'arco

Lo scarico dell'arco è il metodo di generazione del plasma più maturo per le applicazioni di downhole. Un arco elettrico ad alta tensione ha colpito tra due elettrodi ionizza il gas circostante (aria spessa, azoto, o un gas nobile) in un getto plasma stabile. La temperatura del getto può superare i 5000° le torce al plasma a base di arco di C. sono state utilizzate nella lavorazione dei materiali e nel trattamento dei rifiuti per decenni, e il loro adattamento per il recupero del petrolio comporta l'implementazione di una torcia compatta.

Plasma indotta a microonde

L'energia del microonde può generare plasma da molecole di gas eccitanti a uno stato ad alta energia. Un generatore di magnetron o a microonde a stato solido invia la frequenza radio (tipicamente 915 MHz o 2.45 GHz) energia giù un cavo coassiale o una guida d'onda ad una cavità di risonanza vicino al serbatoio. La cavità concentra il campo, impedendo il gas e formando un plasma.

Frequenza radio (RF) Plasma con un'accoppiamento concettuale

Il plasma RF utilizza un campo elettrico AC a frequenze MHz (ad esempio 13.56 MHz) per ionizzare il gas tra due elettrodi. Questo metodo consente un buon controllo sulla densità e la temperatura del plasma e può funzionare ad una vasta gamma di pressioni. Il plasma RF è stato studiato per l'aggiornamento in-situ dell'olio pesante attraverso reazioni di idrogeno e di cracking. La sfida è la complessità dell'alimentazione RF e della rete di corrispondenza, efficiente

Sfide tecniche e operative

Nonostante la sua promessa, il riscaldamento al plasma non è ancora una pratica industriale standard, ma deve essere affrontato diversi ostacoli prima che la distribuzione su scala commerciale diventi fattibile.

Materiale di durata e alta temperatura

Il calore intenso del plasma (sopra 2.000 & deg; C nella regione dell'arco) richiede materiali estremi per la fonte del plasma e componenti circostanti. Elettrodi e ugelli affrontano l'erosione rapida da cicli termici e attacchi chimici. I metalli di rifrazione come tungsteno, molibdeno o hafnium sono utilizzati, ma sono costosi e richiedono la sostituzione frequente.

Consegna e consumo energetico

Per una sola fonte di plasma, da 100 kW a 1 MW, la fornitura di energia elettrica varia in modo efficiente su diversi chilometri di cavo è impegnativa a causa di perdite resistive e di generazione di calore nel cavo. Inoltre, il cavo elettrico deve essere blindato e isolato per resistere alle condizioni di scarico.

Integrazione con l'infrastruttura esistente

La maggior parte dei campi petroliferi pesanti hanno pozzi verticali o orizzontali esistenti progettati per l'iniezione a vapore. La reintroduzione di questi pozzi per il riscaldamento del plasma richiede la modifica dei completamento, l'installazione dei cavi, e possibilmente la ricompilazione del pozzo. Lo strumento al plasma deve adattarsi ai confini delle dimensioni dell'involucro standard (di solito 7–95⁄8 pollici).

Progetti di ricerca e di pilota

Gli esperimenti di laboratorio e i piloti di campo hanno fornito preziose informazioni sulla tecnologia del riscaldamento del plasma. Uno studio notevole pubblicato nel Journal of Petroleum Science and Engineering ha riferito che il plasma di scarico dell'arco applicato ad un campione di sabbia pesante (9,0 cP viscosità) ha ridotto la viscosità a meno di 50 cP entro 10 minuti di trattamento, mentre produceva anche piccole quantità di idrocarburi più leggeri di cracking lieve.

Un altro progetto in corso nel campo petrolifero cinese Liaohe, una nota regione petrolifera pesante, sta valutando una torcia al plasma ad arco a foro inferiore progettata per un funzionamento ad alta temperatura. I dati preliminari indicano che la torcia al plasma può sostenere il funzionamento continuo per oltre 500 ore a 400 kW di potenza, con l'usura dell'elettrodo di meno di 5 grammi all'ora.

Viabilità economica e Outlook mercato

Un confronto economico tra il riscaldamento al plasma e i metodi basati sul vapore deve tener conto delle spese di capitale (CAPEX) per le apparecchiature al plasma, delle spese operative (OPEX) per la sostituzione dell'elettricità e dell'elettrodo, e del valore del trattamento delle acque evitate e dei crediti al carbonio.

Per gli operatori in giurisdizioni con prezzi rigorosi del carbonio (ad esempio, Canada, Europa, California), il riscaldamento del plasma diventa più attraente perché può qualificarsi per crediti a basso tenore di carbonio. Le emissioni evitate di produrre un barile di petrolio pesante tramite vapore sono circa 0.3–0.5 tonnellate CO]2]] equivalente (compreso il pozzo-to-taglia]).

Implicazioni ambientali e sostenibilità

Oltre a ridurre la produzione di CO2] e l’utilizzo dell’acqua, il riscaldamento del plasma offre il potenziale di riqualificazione dell’olio pesante in situ, che può ridurre l’intensità energetica della raffinazione a valle. Le alte temperature e le specie reattive nel plasma possono rompere lunghe catene di idrocarburi, generando composti più leggeri che richiedono meno elaborazione.

Un altro vantaggio ambientale è l'eliminazione di grandi impianti di superficie come generatori di vapore, impianti di ammorbidimento dell'acqua e pozzi di smaltimento dell'acqua. Invece, un pozzo riscaldato al plasma richiede solo un cavo di alimentazione e un'alimentazione a gas compresso (spesso azoto, che è inerte e non tossico). L'impronta di terra è quindi sostanzialmente più piccola, riducendo il disturbo agli ecosistemi.

Tuttavia, il riscaldamento al plasma non è una panacea. L'elettricità necessaria deve essere generata da qualche parte. Se l'elettricità proviene da un impianto a carbone, le emissioni di ciclo di vita possono essere simili o addirittura superiori alla generazione di vapore. Pertanto, la sostenibilità del riscaldamento al plasma dipende dall'integrazione con fonti di energia pulita. Inoltre, la produzione di parti per milione di livelli di idrogeno e monossido di carbonio durante lacriminazione al plasma deve essere gestita attraverso una corretta gestione della testa e possibile flaring o cattura.

Direzioni e osservazioni conclusive

La ricerca è necessaria per sviluppare materiali avanzati che possano resistere all'esposizione prolungata ad alte temperature e ambienti di downhole corrosivi. Si stanno esplorando nuovi modelli di elettrodi utilizzando il raffreddamento forzato o la ceramica auto-riscaldante. I sistemi di erogazione di energia migliorati, come l'utilizzo di cavi superconduttori o trasmissione DC ad alta tensione per ridurre al minimo le perdite, potrebbero aumentare significativamente l'efficienza energetica.

I progetti dimostrativi su scala di campo a più pozzi sono necessari per dimostrare affidabilità ed economia. La collaborazione tra compagnie petrolifere, laboratori nazionali e università accelererà lo sviluppo delle migliori pratiche. Una valutazione del livello di disponibilità della tecnologia attualmente colloca il riscaldamento al plasma a TRL 5-6 (prototipo su larga scala testato in ambiente destinato), con una traiettoria verso TRL 7-8 (mostra commerciale su larga scala) entro 5-10 anni se si effettuano investimenti sufficienti.

Con l'introduzione di calore direttamente nel serbatoio con alta efficienza e una minima penalità ambientale, si affrontano molte delle carenze dell'iniezione a vapore. Mentre rimangono significative sfide tecniche ed economiche, il progresso negli studi di laboratorio e nei piloti di campo primi è incoraggiante. Mentre l'industria energetica si muove verso la decarbonizzazione, il riscaldamento al plasma offre un percorso per continuare a utilizzare le risorse petrolifere pesanti con un notevole abbassamento dell'impronta ambientale.