石油生産：濾過と効率的な石油生産

ケン・サザーランドは、陸上と海上の両方での原油生産におけるフィルターの重要性を考察しています。

石油の生産は基本的に非常に単純なプロセスです。石油を含む岩層に到達するまで地殻（陸上または海中）に穴が開けられ、そこから石油が掘削された穴から地層まで押し上げられます。表面。 その結果として生じる「噴出」は、雑誌の読者や映画ファンにはおなじみの光景です。実際のプロセスはこれよりもはるかに複雑ですが、石油生産の最初の段階は、自然の圧力によってこのように単純に考えることができます。地下ゾーンは、生産の第一段階として知られる段階で、石油を地表に押し出すのに十分です。 最終的には、石油が抽出されるにつれて圧力が低下し、生産率が低下し始めます。 この時点で、石油の排出はダウンホールポンプの使用によって促進されますが、そのようなポンプ（おなじみの「うなずきロバ」のような）は通常、運転開始時に取り付けられており、運転開始時から使用されている可能性があります。 含油地層が深くなるほど、何らかの形の人工揚力が必要になる可能性が高くなります。岩層から井戸の底への石油の流れが低すぎて、ポンプでさらに排出できない場合は、そこで終わりです。一次生産段階の。 この一次相で生成される石油の量は、貯留層の総内容量のわずか 10%、多いときで 30% に達する場合があります。 ほとんどの生産井では、石油は水との混合物として回収され、この「生産された水」は回収される石油の体積の最大 5 倍以上になることがあります。 坑口の主なプロセスは、油をそれに伴う生成水から分離することです。 汲み上げ生産量が低下し始めると、石油生産プロセスは第 2 段階に移行します。この段階では、流体が貯留層に注入されて再加圧され、含まれている石油がさらに押し出されます。 これは、水の浸水またはガス注入によって行うことができます。 水の浸水では、特別に掘削された注入井（または使用されなくなった生産井）を通して、きれいにろ過された水が岩層に注入され、残留石油が稼働中の井戸に押し込まれます。 地層の上のガスキャップにガスを注入すると、同じ効果が得られます。 一次生産と二次生産を合わせると、貯留層内の元の石油の合計 15 ～ 40% を回収できます。二次段階の終わりに生産量が減少し始めると、増進石油回収 (EOR) とも呼ばれる三次段階に着手できます。 ) – ただし、これはまだ少数のケースでのみ使用されます。 EOR では、特定のガス注入、または周期的な蒸気注入や蒸気フラッディングなどの熱的方法、あるいは極端な場合にはその場での燃焼さえも使用できます。 特定のガス注入プロセスの中には二酸化炭素の使用があり、これは炭素隔離の非常に価値のある手段となります。 微生物の注入は、まだ開発中の方法にすぎませんが、将来に大きな期待が寄せられています。 EOR を使用することにより、含油岩石層からの総回収率を 30 ～ 60% 以上に高めることができます。この 3 段階の生産プロセスは、地下に閉じ込められた液体油に適用され、地上に汲み上げることができます。 世界の炭化水素燃料の総埋蔵量（現在確認されている液体油の総埋蔵量と同じだと言う人もいます）のかなりの部分が、重油とアスファルトと砂の混合物の形でタールサンドとして存在しています。 この物質の巨大な鉱床はカナダにあり、そこからの「合成」原油の生産は現在確立されたプロセスです。 鉱床が地表または地表近くにある場合は、露天掘りが使用され、その後、熱水処理と浮遊選鉱が行われて石油が放出されます。 地下堆積物の場合は熱水注入により回収します。

このように、石油生産には数種類の大きな液体とガスの流れが関与していますが、これらの流れの濾過の必要性を検討する前に、石油は地下からは生産できないため、元の掘削プロセスで使用される液体懸濁液について簡単に説明する必要があります。ドリルビットが下方に移動すると、ドリルビットは粘土状物質の濃厚な液体懸濁液 (掘削泥) に囲まれます。その目的には次のようなものがあります。• ドリルビットの冷却と潤滑。岩石の破片を地表に運び、• 崩壊を防ぐために掘削した穴の壁に圧力を加え、• 浸透性の岩石層の表面にフィルターケーキを形成することで、これらの地層全体での流体の損失を最小限に抑えます。ただし、石油の回収には特に関与していません。掘削泥水は石油生産プロセス全体の重要な部分であり、最初の配合やリサイクルの際に岩石の破片を除去するための濾過に重要な用途を持っています。 掘削泥水は複雑な混合物であり、そのため初期コストが高くつきます。そのため、掘削泥水はできるだけ頻繁にリサイクルすることが経済的に理にかなっています。これは、泥水の岩石破片含有量を最大限に除去するという、泥水リサイクルフィルターにとって非常に厳しい作業になります。基本組成をできるだけ変えずに返送された泥。

上記の説明から、石油回収プロセスには大量の液体と気体の流れが含まれ、そのほとんどは油と水、液体または気体と固体を分離するための濾過および/または沈降が不可欠であることが明らかです。 最も重要な液体の流れは、言うまでもなく、地表 (または石油生産プラットフォーム) での処理のために坑井の穴を上って運ばれる原油です。 これは生成水の流れによって運ばれ、その量は少なくとも石油の流れと同じで、一般的にはそれよりも大きくなります。 また、石油貯留層から随伴する天然ガスの流れが頻繁に発生するか、地下からガスを汲み上げるために使用されるガスの流れが存在する可能性があります。井戸が第 2 段階の生産段階にある場合は、大量のガスが発生します。水洪水の注入に必要な水流、またはおそらく貯水池を加圧するためのガス流。 第三次段階では、さまざまな強化された石油回収プロセスにも、特にガス注入用の作動流体の流れがあり、地球温暖化と戦うために必要な炭素の分離および隔離スキームの一部として二酸化炭素の流れがますます重要になります。タールサンドは地球規模で見れば、汲み上げられた原油の量には及ばないが、埋蔵量が開発されるにつれてその流体流量は増大するだろう。 これらには、生成された石油に加えて、露天掘り砂の処理からの残留水、または地下からの石油の回収が含まれます。

地下からの原油の回収には、主に井戸底と井戸頭の 2 か所で分離処理が必要です。 生産井の底部の非常に限られたスペースでは、できるだけ多くの懸濁物質が井戸パイプを上っていくのを防ぐために、固体/液体の濾過が必要です。 これは、井戸パイプの端に組み込まれるか、パイプの非常に粗い穴の開いた部分にスリーブとして取り付けられる穴あき材料の領域である井戸スクリーンによって行われます。 井戸スクリーンは特殊な形式のフィルターであり、もちろん石油だけでなく水の生産にも使用されます。 ワイヤーメッシュ、ワイヤー巻線、多孔板、または多孔質金属繊維素材から作ることができます。 Weatherford/Johnson Screens の Web サイト (www.weatherford.com) では、典型的なスクリーン設計の数々がご覧になれます。井戸スクリーンの設計は、岩石層の性質や固体粒子のサイズに合わせて調整されます。一般に５０μｍ以上である。 この段階の濾過の主な目的は、井戸パイプの詰まりを防ぐことと、油を地表に運ぶためにダウンホールで使用されているポンプを保護することです。 砂岩は油を含む最も一般的な岩石であるため、砂粒子は除去する必要がある可能性が最も高い固体です。 砂は粒径が 100 ～ 400 μm とさまざまですが、ポンプと石油を運ぶパイプラインの両方を非常に研磨する可能性があります。 この点でスクリーンの口径は非常に重要です。砂の粒子サイズに比べて大きすぎると、オイルの流量は速くなりますが、多すぎる砂がスクリーンに浸透します。一方、サイズが粒子に近すぎると、オイルがスクリーンに浸透してしまいます。非常にきれいですが、流量が低くなり、スクリーンがすぐに詰まる可能性があります。 したがって、間違ったスクリーンを選択しないように、スクリーンのタイプと絞りサイズを慎重に選択する必要があります。 穴あきスクリーンと織金網は、金属不織布のマットよりも正確で一貫した開口部を提供します。油が表面に到達すると、必要な濾過のためのより多くの作業スペースが確保され、主要な分離要件は原油を回収することです。生成された水との混合物から生成されます。 これは、沈降によって機能する液体/液体分離器で行われることが非常に多く、ほとんどの場合、それほど多くのスペースが利用できない沖合設置用のラメラ分離器で行われます。 生産経済の観点からは、分離された水は未分離の油分を伴って廃棄される可能性があるため、この分離は可能な限り効率的である必要があります。液体/液体分離器では、さらに大量の懸濁物質も分離され、これが生じる可能性があります。輸送システムを妨害したり、損傷したりすることなく、分離された石油を最終的な精製所の目的地まで輸送できるように、十分な固形物を除去する必要があります。 そうでない場合は、流量は多くなりますが、井戸の上部でさらなる濾過が必要になり、フィルターは自動的に (または簡単に手動で) 洗浄する必要があります。 この目的には、圧力リーフフィルターがよく使用されます。

油田から生成される水は、それに関連する原油の量の数倍である可能性があり、それを周囲の環境（特に海）に処分する場合は、懸濁油を徹底的に除去する必要があります。他の廃水排出要件と共通する固体。 しかし、油井が二次的な出水操作を行っている場合、必要な水が油井によって生成される水から得られることは明らかに理にかなっています。この水は地下の貯水池に注入され、そこを流れることができなければなりません岩の中にある小さな通路。 これは、注入時点でおそらく 2 μm までの微細な固形物を濾過して除去する必要があることを意味します (ただし、油をそこまで徹底的に分離する必要はありません)。 スペースがあれば、この濾過はディープベッド (「砂」) フィルターによって実現でき、最も効率的な操作のためにはほぼ確実にマルチメディアベッドが使用されます。 大規模な操作の場合は、トップサイドの装置を通る水の流れを 10 μm に制限し、注入点でさらに 2 μm 以下まで濾過する 2 段階の濾過が合理的である可能性があります。 タールサンドからの油の生産には、非常に異なる水処理が存在します。 ここでは、砂を処理するために熱水が使用され、砂含有量の高い廃水が生成されます。 水浸しに相当するものはなく、主要な生産工程にリサイクルする場合にのみ必要となります。 稼働中の機器を保護するためだけに濾過が必要になります。

原油に関連して生成される天然ガスは、油や水滴から分離する必要がある場合がありますが、少なくとも固体に関しては通常、濾過の問題は発生しません。 しかし、今日では、石油生産率を向上させるために、地下層にガスを注入する必要性が高まっています。 これは、濾過の必要性が低い場合には、貯留層上のガスキャップに入れることも、石油回収プロセスの強化と二酸化炭素処分のための隔離方法の両方として岩石層に直接入れることもできます。 ガスを直接注入するには、ガスに懸濁物質が含まれていないことが必要であり、おそらく水注入の場合と同じサイズレベル、つまり約 2 μm まで小さくする必要があります。 これは、たとえば V ブロック ミニプリーツ フィルター パネルを使用して、エンジンの吸気口に使用されるのと同じ種類のフィルターで行われます。石油生産プロセスは、濾過および沈殿装置にとって良い市場です。 その一部の部分（一次生産品）は比較的成熟していますが、その他の部分、特に三次加工やタールサンドからの回収は依然として大きな成長が見込まれています。

連絡先:Ken SutherlandTel: +44 (0)1737 218868Email: [email protected] Ken Sutherland は、プロセス エンジニアリングおよびマーケティングのコンサルタント会社である Northdoe Limited を 30 年以上管理してきました。 Northdoe は基本的に濾過と関連する分離プロセスに取り組んでいます。 彼は、ろ過と分離およびろ過産業アナリスト向けに多数の記事を執筆しており、分離プロセスに関する 4 冊の本も執筆しています。最近では、ろ過の A to Z とフィルターとろ過ハンドブックの第 5 版がエルゼビアから出版されています。