Способ биохимической обработки хвостов битумной пены
Способ получения биораствора из хвостов битумной пены, полученных при обработке битуминозных песков, заключается в том, что хвосты битумной пены, которые содержат природные метаболизирующие углеводород микроорганизмы, перемешивают с питательной средой для образования инокулята, который затем подвергают инкубации в изотермических условиях в течение времени, достаточного для получения смешанной бактериальной культуры, которая содержит биораствор и воду с ограниченным количеством асфальтенов, а также твердые вещества, такие как глина и песок. Полученный биораствор затем используют в исходном процессе кондиционирования битуминозных песков, в результате которого получают битумную пену, а также в процессе добычи битуминозных песков за счет непосредственной накачки биораствора в пласт битуминозных песков. Также биораствор используют для разложения асфальтенов. За счет проведенной обработки снижается количество отходов, которые получают в процессе экстракции битума. При осуществлении данного способа битумная пена может быть получена при более низких температурах и без использования необходимой при проведении обычных процессов каустической соды. За счет этого настоящий способ позволяет избежать формирования хвостов шлама, вызванных диспергированием глины. 22 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Настоящее изобретение имеет отношение к биохимической обработке (биообработке) вспененных хвостов (отходов обогащения) битума (асфальта), полученных в качестве побочного продукта при экстракции битума из битумной пены, полученной, в свою очередь, из битуминозных песков. Несмотря на то, что настоящее изобретение предназначено для обработки хвостов битумной пены, полученных при осуществлении упомянутого в нем процесса декантации в противотоке (CCD), который также описан и заявлен в находящейся на одновременном рассмотрении заявке на патент США No 002057 от 31 декабря 1997 г., следует иметь в виду, что настоящее изобретение также с успехом может быть использовано для обработки любых асфальтенов, полученных при обработке битуминозных песков.
Во всем мире значительные нефтяные резервы локализованы в виде битуминозных песков. Например, расположенные в северо-восточной Канаде в провинции Alberta залежи битуминозных песков Athabasca являются самыми крупными из четырех основных месторождений этой провинции и содержат резервы нефти, которые превышают 150 биллионов баррелей, на общей территории 32000 квадратных километров. Другие запасы таких битуминозных песков имеются в Треугольнике Битуминозных Песков, который представляет собой зону треугольной формы между реками Dirty Devil River и Colorado River в юго-восточном штате Utah. Залежи резервов нефти в Треугольнике Битуминозных Песков превышают 12-16 биллионов баррелей, на общей территории около 518 квадратных километров. Однако к сожалению нефть в этих залежах присутствует в виде битума, который сильно перемешан с песком, водой и песчанистым алевритом (песчаным илом), что сильно осложняет проблему извлечения нефти и снижает эффективность этого процесса.
Уже были предложены различные способы выделения битума из битуминозных песков в виде единственного компонента. В соответствии с одним из таких способов отделенный от песка битум подвергают коксованию для получения коксовой фракции, которая позднее может быть подвергнута очистке в соответствии с обычной практикой рафинирования. В соответствии с альтернативным вариантом необработанные битуминозные пески обрабатывают в автоклаве с подвижным или псевдоожиженным слоем для получения коксовой фракции, из которой выжигают покрывающий песок кокс для получения технологической теплоты.
Однако недостатком известных способов является то, что в ходе коксования происходит крекинг коксовой фракции. Несмотря на то, что указанный крекинг может быть желателен для повышения экономичности, обычно он сопровождается некоторым ухудшением качества коксовой фракции.
В патенте США No 2871180 уже была сделана попытка преодоления этого недостатка. В указанном патенте описан способ отделения сырой нефти от битуминозных песков в обогащенном гудронированной нефтью слое и в обогащенном асфальтеном слое, который позволяет получать водную суспензию (пульпу) песка в вертикальной зоне экстракции. После этого парафиновый углеводород с низким молекулярным весом (пропан) вводят в зону экстракции, на уровне ниже точки введения водной суспензии битуминозного песка.
Парафиновый углеводород с низким молекулярным весом главным образом течет вверх через зону экстракции, в то время как более тяжелая водная суспензия битуминозного песка течет вниз. За счет указанных имеющих противоположное направление потоков формируются фаза дегудронированной нефти и растворителя (то есть фаза продукта) и фаза асфальтенов, растворенная в меньшем количестве растворителя, водная фаза и главным образом не содержащая нефти песчаная фаза, причем указанные фазы имеют увеличивающийся удельный вес в приведенном порядке следования. Затем полученные фазы подвергают дальнейшей обработке. Однако указанный процесс имеет множество экономических недостатков, которые ограничивают возможность его использования в промышленных масштабах.
Для восстановления битума из песка и других материалов, с которыми он связан, обычно используют процесс экстракции с горячей водой, который позволяет устранить некоторые из недостатков перечисленных здесь ранее способов. После восстановления битума его подвергают обработке для получения из него нефтяных продуктов. Один из примеров такого процесса описан в патенте США No 5626743.
В соответствии с указанным патентом проводят процесс водной экстракции, в котором сначала осуществляют кондиционирование (приведение к требуемым характеристикам) битуминозных песков в больших баках для кондиционирования или в опрокидывающихся барабанах, с добавкой каустической соды (NaOH) и воды при температуре около 85°С. В указанных барабанах предусмотрены средства для введения пара и приложения физического воздействия для интенсивного перемешивания полученной суспензии, что заставляет битум отделяться и аэрироваться с образованием битумной пены.
Суспензию из барабана затем просеивают для отделения крупных остатков и пропускают через разделительную ячейку, в которой она отстаивается для разделения. При отстаивании суспензии битумная пена всплывает на поверхность, а частицы песка и осадок падают на дно. Отметим, что слой шлама средней вязкости, который содержит диспергированные частицы глины и некоторое количество захваченного битума, не может подняться на поверхность по причине своей высокой вязкости. После отстаивания суспензии пену снимают для дальнейшей обработки, а слой осадка отправляют в пруд-хвостохранилище. Слой шлама средней вязкости часто отправляют на ступень вторичной флотации для дополнительного восстановления битумной пены. В патенте США No 5626743 раскрыт модифицированный способ водной экстракции с применением так называемой системы гидротранспортирования. В этой системе битуминозные пески перемешивают с водой и каустической содой у местоположения рудника и полученную пульпу по трубе транспортируют к установке для экстракции. В ходе гидротранспортирования битуминозные пески кондиционируются (доводятся до кондиции) и битум аэрируется с образованием пены. Такая система заменяет ручную или механическую транспортировку битуминозных песков и позволяет в результате исключить применение опрокидывающихся барабанов.
Полученная при протекании процесса битумная пена содержит битум, твердые вещества и захваченную воду. Содержащиеся в пене твердые вещества имеют вид глины, ила и некоторого количества песка. Пена содержит около 60% по весу битума, который сам содержит ориентировочно от 10 до 20% по весу асфальтенов, около 30% по весу воды и около 10% по весу твердых веществ. Пену из разделительной ячейки пропускают в резервуар деаэрации и устранения пены, в котором пена нагревается и разрывается с выходом воздуха. Обычно после этого добавляют нафту для сольвации битума, в результате чего плотность битума снижается и облегчается разделение битума от воды и твердых веществ при последующей обработке в центрифуге. Полученный после обработки в центрифуге битум обычно содержит около 5 вес.% воды и твердых веществ и может быть направлен на очистку для обогащения и последующего гидрокрекинга. Воду и твердые вещества, которые отделены в ходе обработки в центрифуге, спускают в пруд-хвостохранилище.
Собственная природа битума делает указанный процесс сложным для осуществления, так как битум является комплексной смесью различных органических соединений и содержит около 44 вес.% светлых масел, около 22 вес.% смол, около 17 вес.% темной нефти и около 17 вес.% асфальтена (смотри публикацию Bowman, C.W. "Molecular and Interfacial Properties of Athabasca Tar Sands". (Proceedings of the 7th World Petroleum Congress. Vol. 3 Elsevier Publishing Co. 1967).
При обработке битума с использованием обычного процесса растворения в нафте и экстракции в центрифуге возникают существенные проблемы, для чего существуют две причины. Прежде всего, растворенный в нафте битумный продукт может содержать до 5 вес.% воды и твердых веществ. Во-вторых, растворение в нафте приводит к сольватированию не только битума, но и нежелательных и загрязненных асфальтенов, которые содержатся в битумной пене. Так как для проведения гидрокрекинга требуется однородный исходный материал с весьма малым содержанием твердых веществ и воды, то растворенный в нафте битумный продукт не может быть непосредственно подан на гидрокрекинг. Для использования разбавленного нафтой битумного продукта его прежде всего следует превратить в кокс для удаления нафтового растворителя и вывода асфальтенов и твердых веществ. К сожалению повышение качества кокса требует огромных капиталовложений и приводит также к потерям 10-15% битума, первоначально имеющегося для гидрокрекинга.
Одним из путей, позволяющих решить проблемы, возникающие при растворении битума в нафте, является использование другого растворителя, такого как парафиновый углеводород. Однако использование углеводородного растворителя приводит к осаждению части асфальтенов из разведенного битума. Поэтому при подводе разбавленного парафинами битума в систему с центрифугой осаждение асфальтена может приводить к закупорке центрифуги, что повышает расходы по эксплуатации, так как связано с необходимостью останова системы и проведения чистки загрязненной центрифуги. Повышенная стоимость эксплуатации центрифуги снижает производительность и экономические показатели системы. Более того, системы с центрифугами имеют высокую собственную стоимость и высокую стоимость эксплуатации, даже при их нормальной работе.
Полученные при обычном процессе экстракции хвосты создают дополнительные проблемы. Эти хвосты в шламовых прудах-хвостохранилищах главным образом содержат глину, мелкий песок, воду и немного битума. В течение первых лет нахождения в пруду имеет место некоторое осаждение в нижнем слое, в результате чего выделяется некоторое количество захваченной воды. Полученная вода может быть использована повторно в процессе водной обработки битуминозных песков. Однако основная часть хвостов остается в виде шлама неопределенно долгое время. Этот шлам содержит некоторое количество битума и имеет высокий процент твердых веществ, главным образом в виде взвешенных ила и глины.
Пруды-хвостохранилища дорого рыть и эксплуатировать, причем размер таких прудов и их состояние с наличием каустической соды могут создавать серьезные проблемы для окружающей среды. Кроме того, серьезные проблемы создает необходимость использования большого количества воды для проведения экстракции, которая остается замкнутой в прудах-хвостохранилищах (исключается из обращения).
Известно, что в ходе первоначального кондиционирования битуминозных песков при помощи каустической соды образуется пульпа, так как каустическая сода воздействует на частицы глины. Каустическая сода вызывает разбухание глин, таких как монтмориллонитные глины, и их диспергирование с образованием пластинок, которые удерживаются в суспензии и образуют похожую на гель пульпу. Так как такая пульпа препятствует флотации битумной пены в процессе экстракции, то нижние градации битуминозных песков, которые содержат большие количества разбухающих глин, не могут быть удовлетворительно обработаны с использованием обычного водного процесса с использованием каустической соды.
Следовательно, существует необходимость в создании процесса экстракции, для осуществления которого не требуется использование каустической соды, и в котором снижено образование пульпы, и поэтому повышено содержание имеющейся для повторного использования воды, что, в свою очередь, уменьшает объем хвостов, которые должны храниться в прудах-хвостохранилищах. Кроме того, крайне желательно также исключить необходимость использования растворителей на основе нафты для экстракции битума, чтобы избежать необходимости повышения качества кокса битумного продукта до проведения гидрокрекинга. Крайне желательно также исключить необходимость использования центрифуг для обработки разведенного парафином битума и снизить тенденцию засора центрифуг асфальтенами. Указанное может быть достигнуто за счет применения менее дорогостоящего способа эффективной обработки разведенного битума, содержащего осажденные асфальтены, что одновременно позволяет поддерживать высокую производительность при низких эксплуатационных расходах, что в результате повышает экономичность процесса. Наконец, желательно создать способ обработки хвостов битумной пены с получением из них полезного продукта.
Следует иметь в виду, что в соответствии с патентами США No 4120777 и No 5626743 уже были предложены процессы с использованием альтернативных реагентов кондиционирования, отличающихся от каустической соды. В соответствии с первым из указанных патентов предложено использовать вместо каустической соды растворимые бикарбонаты металлов, в то время как в соответствии со вторым из указанных патентов предложено использовать смеси бикарбонатов натрия и калия в присутствии источников ионов кальция и магния. Задачей обоих указанных патентов является исключение использования каустической соды в процессе кондиционирования битуминозных песков горячей водой, для того чтобы снизить дисперсию глины и образование пульпы.
В соответствии с патентом США No 4349633 исключено использование реагентов кондиционирования в процессе кондиционирования битуминозных песков и вместо этого предложено использовать суспензию синтезирующих оксидазу метаболизирующих углеводород микроорганизмов для облегчения разделения или освобождения битума от песка, глины и воды в битуминозных песках. Недостатком указанного патента является конверсия и потребление части углеводорода с высоким молекулярным весом.
Однако такие процессы не получили промышленного внедрения по той причине, что они существенно повышают стоимость экстракции битума из битуминозных песков, а также по причине высокой стоимости использованных реагентов.
Более того, такие процессы часто приводят к снижению скоростей кондиционирования битуминозных песков и снижают объем выпуска продукции. Наконец, несмотря на то, что такие процессы позволяют избежать образования шлама и связанных с ним проблем, ни в одном из предложенных процессов не решена проблема повышения качества кокса разбавленного нафтой битума или дополнительная проблема засора центрифуги при использовании разбавленного парафином битума. Кроме того, ни в одном из предложенных процессов не решена проблема биохимической обработки хвостов битумной пены.
На чертеже приведена блок-схема нового способа в соответствии с настоящим изобретением.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается уникальный эффективный новый способ экстракции битума из битумной пены, полученной из битуминозных песков. В соответствии с этим способом прежде всего производят экстракцию битумной пены из битуминозных песков с использованием теплой воды. Затем производят обработку битумной пены в контуре декантации в противотоке с использованием парафинового (предельного) углеводорода в качестве растворителя для удаления осажденных асфальтенов, воды и твердых веществ из битумной пены, с получением разведенного битумного продукта. Полученные при экстракции битумной пены осажденные асфальтены, вода и твердые вещества затем подвергаются биохимической обработке для снижения количества отходов и для получения в качестве продукта биораствора, который может быть использован в исходном процессе кондиционирования битуминозных песков и при разработке залежей битуминозных песков.
В соответствии с настоящим изобретением преимущественно не требуется использование каустической соды для проведения кондиционирования битуминозных песков, что позволяет избежать диспергирования глины и сопутствующего формирования шлама. Более того, при обработке битуминозных песков могут быть использованы температуры намного ниже обычно используемой температуры 85°С. Обычно операцию кондиционирования битуминозных песков в соответствии с настоящим изобретением проводят в диапазоне температур ориентировочно от 25°С до 55°С, а преимущественно при температуре около 35°С. Снижение температуры кондиционирования битуминозных песков в соответствии с настоящим изобретением приводит к снижению энергозатрат и повышает экономичность процесса.
Настоящее изобретение направлено на создание способа, в котором хвосты битумной пены, полученные из контура CCD, подвергают биохимической обработке с использованием смешанной бактериальной культуры, имеющейся в битуминозных песках или полученной из неприродного источника. Использование операции биообработки не только приводит к снижению объема отходов за счет наличия асфальтенов, но и позволяет получать биораствор, который может быть использован в исходном процессе кондиционирования битуминозных песков и при разработке залежей битуминозных песков. Однако следует иметь в виду, что настоящее изобретение может быть использовано для обработки хвостов битумной пены, полученных любым известным способом экстракции битума из битумной пены, полученной в свою очередь из битуминозных песков.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предлагается способ биохимической обработки хвостов битумной пены, полученных при экстракции битума из битумной пены, полученной, в свою очередь, из битуминозных песков.
Предложенный способ включает в себя следующие операции:
a) использование хвостов битумной пены, которые содержат изолированно или в хорошо перемешанном состоянии остаточный битум, растворитель, осажденные асфальтены, песок, глину и воду;
b) выделение бактериальной культуры из хвостов битумной пены путем инокуляции жидкой питательной среды частью хвостов битумной пены с образованием инокулята (посевного материала);
c) инкубация указанного инокулята в изотермической среде с постоянным перемешиванием, в течение времени, достаточного для получения смеси твердых веществ с жидкостью, заключающей в себе фазу биораствора, содержащего биологические поверхностно-активные вещества, парафиновый растворитель и воду, и содержащей фазу твердых веществ, которая включает в себя остаточный битум, пониженное количество осажденных асфальтенов, песок, глину и биомассу;
d) разделение указанной смеси твердых веществ с жидкостью, с получением отдельного продукта в виде биораствора и хвостов твердого остатка;
e) использование части указанного продукта в виде биораствора для проведения исходного кондиционирования битуминозных песков;
f) использование части указанного продукта в виде биораствора для проведения процесса отделения асфальтенов;
g) использование части указанного продукта в виде биораствора при разработке залежей битуминозных песков за счет прямой накачки биораствора в месторождение битуминозных песков; и
h) удаление хвостов твердого остатка, полученных при проведении операции d).
В соответствии с дальнейшим аспектом настоящего изобретения предлагается способ биохимической обработки хвостов битумной пены, при котором смешанная бактериальная культура, исходно присутствующая в хвостах битумной пены, дополнительно культивируется при помощи питательного вещества для получения популяции микроорганизмов, полезной для разложения асфальтенов и для сопутствующего получения биораствора, предназначенного для использования при исходном кондиционировании битуминозных песков и при разработке залежей битуминозных песков.
Так как в соответствии с настоящим изобретением не требуется использование каустической соды в процессе исходного кондиционирования битуминозных песков, то не получают шлам с диспергированной глиной. Кроме того, так как в соответствии с настоящим изобретением используют процесс биообработки для проведения обработки отходов с осажденными асфальтенами, то получают более эффективный и приемлемый для окружающей среды способ обработки битуминозных песков.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительный чертеж и примеры осуществления изобретения.
Основной задачей настоящего изобретения является обработка хвостов битумной пены с использованием нового процесса биообработки отходов с осажденными асфальтенами. Настоящее изобретение позволяет существенно снизить количество отходов по сравнению с получаемыми при обычных процессах обработки битуминозных песков и получить полезный продукт в виде биораствора, который может быть использован в исходном процессе кондиционирования битуминозных песков и при разработке залежей битуминозных песков.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ водяного кондиционирования битуминозных песков, который не требует применения каустической соды, необходимой при проведении известных ранее процессов. Настоящее изобретение позволяет существенно снизить, если не исключить полностью, получение хвостов в виде шлама с диспергированием глины. Однако следует иметь в виду, что настоящее изобретение может быть использовано также для обработки хвостов битумной пены, полученных при помощи любого известного способа обработки битумной пены.
Обратимся теперь к рассмотрению чертежа, на котором показана блок-схема способа в соответствии с настоящим изобретением.
Хвосты битумной пены 35, полученные в виде побочного продукта в ходе извлечения битума из битумной пены, поступают по трубопроводу 36 на смеситель 38 для отделения асфальтенов, причем часть хвостов битумной пены подается по трубопроводу 37 на смеситель 48 для культивирования бактерий. Остаток битумной пены подается на гравитационное разделение по трубопроводу 39, что будет описано здесь ниже.
Поток 37, поступающий на смеситель 48, перемешивается с бактериальной питательной средой или с питательным веществом 49 для получения бактериального инокулята, который выходит из смесителя 48 по трубопроводу 50 и поступает в инкубатор 51. Функцией инкубатора 51 является увеличение популяции смешанной бактериальной культуры, исходно присутствующей в хвостах битумной пены, за счет инкубации бактерий в присутствии питательного вещества 49 при постоянной температуре и в течение промежутка времени, достаточного для получения биораствора, содержащего повышенную концентрацию или популяцию микроорганизмов, а также остатка, который в основном содержит пониженное количество асфальтенов, а также твердые вещества, такие как глина и песок.
Способ разложения асфальтенов и получения биологического поверхностно-активного вещества в соответствии с настоящим изобретением включает в себя три основные операции: (1) развитие смешанной бактериальной популяции, (2) разложение асфальтенов за счет метаболизации углеводорода с полученной смешанной бактериальной культурой, и (3) последующее получение биологического поверхностно-активного вещества, которое содержит в виде побочного продукта биораствор.
Используемые в указанном способе микроорганизмы именуются "смешанной бактериальной культурой", так как они существуют в виде консорциума различных разновидностей микроорганизмов. Тип и относительное количество каждой из разновидностей микроорганизмов в "смешанной бактериальной культуре" зависит как от происхождения битуминозных песков и их общего состава, так и от процедур инкубации бактерий. Обычно микроорганизмами, которые образуют смешанную бактериальную культуру, являются такие микроорганизмы, которые в природных условиях присутствуют в битуминозных песках.
Однако следует иметь в виду, что в процесс могут быть введены и другие микроорганизмы метаболизации углеводорода, обеспечивающие разложение асфальтенов, в чистом виде или в виде подмешанной культуры от другого источника, например от неприродного источника. Таким образом, микроорганизмы в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы как в виде чистой культуры, так и в виде смешанных культур, чтобы получать оптимальные результаты при разложении асфальтенов и при выработке поверхностно-активного вещества для битуминозных песков, полученных из любого конкретного геологического местоположения.
В таблице 1 перечислены идентифицированные и выделенные микроорганизмы, которые в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы в качестве микроорганизмов метаболизации углеводорода.
| Таблица 1 Идентификация выделенных микроорганизмов метаболизации углеводорода | |
| Pseudomonas | aeruginosa |
| arvilia | |
| alkanolytica | |
| cresorensis | |
| dacunhae | |
| desmolyica | |
| oleovorons | |
| putida | |
| rathonis | |
| salopia | |
| chloroaphis | |
| sp. | |
| Corynebacterium | hydrocarboclastus |
| hydrocarboaxydans | |
| peirophilum | |
| diaxydans | |
| alkatrum | |
| sp. | |
| Flavobacterium | axydans |
| devorons | |
| resinovorum | |
| sp. | |
| Nocardia | butanica |
| corallina | |
| hydrocarbonoxydans | |
| paraffinca | |
| opaco | |
| salmonicolor | |
| rubra | |
| rubropertincta | |
| amarae | |
| aurontia | |
| erythropolis | |
| minima | |
| neopaca | |
| keratolytica | |
| petroleophila | |
| sp. | |
| Arthrobacter | paruffineus |
| hydrocarboglutamicu | |
| oxydans | |
| simplex | |
| alkanicus | |
| sp. | |
| Micrococcus | glutamicus |
| paraffinolyricus | |
| auratiocus | |
| cerificans | |
| conglomeaius | |
| varlans | |
| sp. | |
| Mycobacterium | aurum |
| chitae | |
| cunearum | |
| paraffinicum | |
| phlei | |
| petroleophilum | |
| rhodochrous | |
| novum | |
| thermoresistibile | |
| terrae | |
| sp. | |
| Streptomyces | argentelus |
| aureus | |
| californicus | |
| fradiae | |
| griseus | |
| sp. | |
| Achromobacter | paraffinoclastus |
| cycloclasies | |
| delicatulus | |
| nitriloclasies | |
| paravulus | |
| pestifer | |
| sp. | |
| Rhodococcus | rhodochrous |
| Bacillus | sphaericus |
Идентифицированные микроорганизмы могут быть культивированы в водной питательной среде или в среде, которая содержит требующееся количество питательных веществ, таких как азот, фосфаты, соли щелочных металлов, следы элементов и т.п.
В качестве предпочтительных питательных веществ можно привести Na2SO4, MgSO4·7Н2О, КСl, FeSO4·7Н2О и К2НРO4. Преимущественно в 1 литре воды содержится следующее количество указанных питательных веществ: 3,0 грамма Nа2SО4, около 0,5 грамма MgSO4·7Н2O, около 0,5 грамма КСl, около 0,01 FеSО4 и около 1,0 грамма K2HPO4. Однако следует иметь в виду, что в питательной среде, которая может быть определена как совокупность присутствующих питательное веществ, может содержаться также любое полезное питательных вещество, в таком количестве, которое обеспечивает эффективный рост и поддержание микроорганизмов.
Однако необходимо иметь в виду, что в самой питательной среде нет источника углерода, который необходим для надлежащего роста и поддержания клеток. Источником углерода в действительности являются осажденные асфальтены, которые содержатся в хвостах битумной пены. Эти асфальтены отделяют и добавляют в питательную среду для ускорения культивирования бактерий. Следует также иметь в виду, что осажденные асфальтены, которые указаны в операции культивирования бактерий, содержат также некоторое количество весьма разбавленного битума, в котором нормально содержатся алканы с короткими цепями, такие как пентан или гексан. Так как пентан и гексан представляют собой алканы с низким молекулярным весом, то они являются легко усваиваемым микроорганизмами источником углерода. Сразу после метаболизации углеводородов с низким молекулярным весом микроорганизмы начинают использовать осажденные асфальтены, а также любой присутствующий битум в качестве источника углерода. Это приводит к росту популяции микроорганизмов и одновременно снижает количество осажденных асфальтенов.
После инокуляции питательной среды культурой микроорганизмов, которая содержится в части хвостов битумной пены 35, производят ее инкубацию в течение промежутка времени, достаточного для обеспечения роста микроорганизмов. Культивирование микроорганизмов может продолжаться до получения высокой концентрации с образованием маточного раствора, или только до получения желательной концентрации или популяции микроорганизмов.
После проведения культивирования биораствор и остаток смеси, полученные в инкубаторе 51, переводят по трубопроводу 52 в отстойник 53 для получения осветленного готового биораствора 54 и нижнего потока остатка, который выпускают по трубопроводу 58 в качестве хвостов остатка.
Полученная суспензия культуры микроорганизмов, которую именуют "биораствором", может быть использована при исходном процессе кондиционирования битуминозных песков, из которых получают битумную пену, или может быть использована при обработке битуминозных песков за счет прямой накачки биораствора в месторождение битуминозных песков перед их добычей.
Биораствор вводят при кондиционирования битуминозных песков и перед добычей в месторождение битуминозных песков потому, что он содержит ряд биохимически полученных поверхностно-активных веществ (биологических поверхностно-активных веществ), которые повышают эффективность разделения содержащегося в битуминозных песках битума от глины и твердых веществ.
Готовый биораствор из отстойника 53 выпускают по трубопроводу 54 и затем разделяют на 3 потока при помощи трубопроводов 55, 56 и 57. Биораствор по трубопроводу 56 подают для непосредственной накачки в месторождение битуминозных песков. Альтернативно этот биораствор может быть введен в пласт с обедненной или необедненной нефтью. Биораствор позволяет получить битуминозные пески, до их добычи, с лучшими характеристиками обработки за счет отделения битума от содержащихся в нем глины и песка.
Биораствор, подводимый по трубопроводу 57, используют в процессе исходной обработки битуминозных песков. Как уже упоминалась здесь ранее, содержащиеся в биорастворе биологические поверхностно-активные вещества позволяют повысить эффективность разделения битума, содержащегося в битуминозных песках, от твердых веществ (глины и песка), которые также содержатся в битуминозных песках. При этом операцию первоначальной обработки битуминозных песков, в результате которой получают битумную пену, можно проводить при низких температурах без применения каустической соды. За счет этого полученные в качестве побочного продукта хвосты битуминозных песков не будут содержать диспергированной глины, которая затрудняет осаждение твердых веществ в прудах-хвостохранилищах хвостов битуминозных песков. Более того, накачка биораствора в пески ранее их обработки снижает потери битума в хвостах и повышает выход битумной пены.
Так как биораствор получают непосредственно за счет разложения асфальтенов, при котором смесь бактерий использует асфальтены в качестве источника энергии, то количество полученных асфальтеновых отходов снижается или полностью исключается за счет выработки биораствора. Поэтому биораствор из отстойника 53 по трубопроводу 55 подают в смеситель 38, в котором он перемешивается с частью хвостов битумной пены 36. После перемешивания в смесителе 38 смесь, которая содержит пониженное количество асфальтенов, биораствор и твердые вещества, такие как глина и песок, направляется по трубопроводу 39 на операцию гравитационного разделения, после которой получают плавучую фазу асфальтенов 40, фазу биораствора 41 и фазу перемешанных твердых веществ (песка и глины) 42.
По самой природе содержащихся в биорастворе биологических поверхностно-активных веществ изменяется химия поверхности осажденных асфальтенов, которые имеются в поступающем в смеситель 38 потоке 36, что приводит к всплыванию осажденных асфальтенов. Более того, за счет изменения химии поверхности часть осажденных асфальтенов поглощается, что снижает количество осажденных асфальтенов, которые поэтому легче отделить от смеси. Всплывшая фаза асфальтенов 40, полученная в ходе гравитационного разделения, затем по трубопроводу 43 в виде хвостов асфальтенов выгружается в пруд-хвостохранилище и/или вновь направляется в смеситель 38 при помощи по меньшей мере одного вентиля и трубопровода (не показаны). Альтернативно, асфальтены могут быть добавлены в смеситель 48 для увеличения производства биораствора.
Полученная в ходе гравитационного разделения фаза готового биораствора 41 поступает по трубопроводу 44, причем часть этого биораствора используется в качестве биораствора, подаваемого повторно по трубопроводу 46 в смеситель 38 для обработки асфальтенов, а другая часть биораствора из потока 44 по трубопроводу 47 подается для обработки битуминозных песков в месторождении битуминозных песков. Смесь глины и песка в фазе твердых веществ 42, полученная в ходе гравитационного разделения, по трубопроводу 45 удаляется в хвосты.
Способ в соответствии с настоящим изобретением дополнительно поясняется при помощи приведенного ниже примера, не имеющего ограничительного характера.
ПРИМЕР
В данном примере описано получение биораствора за счет разложения асфальтенов и воздействие биораствора на получение битумной пены в ходе кондиционирования битуминозных песков. Для получения биораствора, предназначенного для использования в экспериментах кондиционирования битуминозных песков, некоторое количество осажденных асфальтенов инокулируют при помощи ранее выделенной культуры микроорганизмов. После инкубации и разложения асфальтенов биораствор отделяют от культуры и сохраняют.
Эффективность восстановления битума из битуминозных песков при помощи биораствора определяют с использованием дозировочного блока экстракции. Дозировочный блок экстракции (BEU) главным образом представляет собой изотермический реактор с мешалкой в виде крыльчатки, надетой на полый вал, через который вводится воздух. Используют следующий метод определения эффективности восстановления битума при помощи BEU:
a) Нагрев резервуара кондиционирования до желательной температуры с использованием водяной бани.
b) Взвешивание 500±0.5 г гомогенизированного битуминозного песка. Запись веса.
c) Взвешивание 150±0.5 г жидкости кондиционирования, например водопроводной воды, биораствора или их смеси, и запись веса.
d) Нагревание жидкости кондиционирования до желательной температуры с использованием нагрева резервуара.
e) Подъем резервуара и фиксация его в самом верхнем положении. Включение крыльчатки и задание скорости вращения 600 об/мин.
f) Добавка взвешенного битуминозного песка.
g) Включение источника воздуха и задание воздушного потока 150 мл/мин.
h) Перемешивание в течение 30 минут (операция кондиционирования) и выключение подачи воздуха.
i) Взвешивание 900 г водопроводной воды при желательной температуре, запись веса и добавление в суспензию после кондиционирования.
j) Перемешивание в течение 10 минут (первичная флотация).
k) Останов крыльчатки и съем с поверхности первичной пены в
предварительно взвешенный широкогорлый сосуд (банку). Запись веса.
l) Установка газового потока 50 мл/мин и скорости вращения крыльчатки 800 об/мин.
m) Перемешивание в течение 5 минут (вторичная флотация)
n) Выключение газа и останов крыльчатки.
о) Съем с поверхности вторичной пены в предварительно взвешенный широкогорлый сосуд. Запись веса.
р) Открывание пробки на дне и выпуск содержимого резервуара в заранее взвешенный двухлитровый химический стакан из нержавеющей стали.
q) Смыв песка при помощи деионизированной воды из заранее взвешенной промывной бутыли. Расчет и запись использованной воды промывки. Выдержка ориентировочно 1 минута для осаждения песка. Сливание с осадка водного слоя во второй заранее взвешенный двухлитровый химический стакан из нержавеющей стали (вторичные хвосты). Взвешивание второго стакана и запись результатов.
r) Взвешивание первого стакана и запись результатов (первичные хвосты).
s) Удаление резервуара и крыльчатки со стенда BEU.
t) Промывка резервуара, донной пробки и крыльчатки смесью толуола и изопропанола (63% к 37%) в вытяжном шкафу. Сбор жидкости промывки и слив ее в бак для органических отходов.
u) Проверка того факта, что ни одно из воздушных отверстий барботажа в крыльчатке не забито. При необходимости чистка крыльчатки изнутри.
После проведения разделения проводят сравнение отделенного битума с битумом, который исходно содержался в битуминозных песках, откуда определяют процент восстановления битума. В этом примере провели сравнение эффективности биораствора с обычной водопроводной водой при различных температурах. Результаты приведены в таблице 2.
| Таблица 2 Примененные условия и результаты, полученные в экспериментах по восстановлению битума | ||
| Температура (°С) | Жидкость кондиционирования (150 г) | Восстановление (%) |
| 25 | Водопроводная вода | 49,5 |
| 25 | Водопроводная вода/Биораствор | 89,6 |
| 35 | Водопроводная вода | 85,7 |
| 35 | Водопроводная вода | 84,3 |
| 40 | Водопроводная вода | 94,3 |
| 40 | Водопроводная вода | 95,1 |
Из рассмотрения таблицы 2 можно сделать вывод о том, что нет существенной разницы между экстракцией битума при помощи водопроводной воды, и экстракцией битума при помощи смеси 1:1 водопроводной воды с биораствором при температуре свыше 25°С. Однако при температуре 25°С смесь 1:1 водопроводной воды с биораствором позволяет почти удвоить экстракцию битума в сравнении с экстракцией при помощи одной водопроводной воды.
Таким образом, проведенные эксперименты показывают, что процесс кондиционирования битуминозных песков следует проводить при температуре окружающей среды, то есть при 25°С, с использованием биораствора, полученного при разложении асфальтенов, что повышает экстракцию битума ориентировочно до 90%. Так как процесс кондиционирования битуминозных песков может быть проведен при низких температурах с сохранением энергии и без обычного применения каустической соды, то существенно снижается стоимость производства битумной пены и исключается получение диспергированной глины, которая создавала ранее большие проблемы в обычном процессе кондиционирования битуминозных песков с горячей водой и каустической содой.
Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.
1. Способ получения биораствора из хвостов битумной пены, полученных в качестве остатка при экстракции битума из битумной пены, полученной в ходе обработки битуминозных песков с использованием парафинового углеводорода в качестве растворителя, включающий в себя следующие операции:
a) использование хвостов битумной пены, в которых содержится бактериальная культура микроорганизмов или в которые добавляют бактериальную культуру из не природного источника, причем указанные хвосты битумной пены содержат остаточный битум, парафиновый углеводород в качестве растворителя, а также осажденные асфальтены, песок, глину и воду;
b) выделение части хвостов битумной пены и их инокуляцию раствором, который содержит питательное вещество, способствующее росту указанных микроорганизмов, с образованием инокулята;
c) инкубация указанного инокулята в изотермических условиях, в течение времени, достаточного для получения смеси твердых веществ с жидкостью, заключающей в себе фазу биораствора, содержащего биологические поверхностно-активные вещества и указанный парафиновый углеводородный растворитель, и содержащей фазу твердых веществ, остаточный битум, некоторое количество осажденных асфальтенов, песок, глину и биомассу; и
d) разделение указанной смеси твердых веществ с жидкостью, с получением отдельного продукта в виде биораствора и твердого остатка.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что битуминозные пески представляют собой битуминозные пески, содержащие воду.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что хвосты битумной пены получают в результате обработки битумной пены при помощи процесса декантации в противотоке с использованием парафинового углеводорода в качестве растворителя.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученный при проведении операции (d) продукт в виде биораствора вновь подвергают инокуляции частью хвостов битумной пены, содержащих микроорганизмы и питательные вещества для них, добавляемой для образования второго инокулята, с последующей инкубацией и разделением в соответствии с операциями (с) и (d), для образования второго продукта в виде биораствора и второго хвоста твердого остатка.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что полученный второй продукт в виде биораствора подвергают указанным операциям третий и четвертый раз, для образования соответственно третьего продукта в виде биораствора и третьего хвоста твердого остатка и четвертого продукта в виде биораствора и четвертого хвоста твердого остатка.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукт в виде биораствора используют для накачки в месторождение битуминозных песков для их восстановления.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукт в виде биораствора используют для подачи в нефтяной пласт для осуществления восстановления из него битума и нефти.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что нефтяной пласт является частично выработанным.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукт в виде биораствора рециркулируют в содержащих воду битуминозных песках при температуре окружающей среды, для получения хвостов битумной пены.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукт в виде биораствора используют в операции разделения асфальтенов путем его перемешивания с частью хвостов битумной пены, в течение времени и при температуре, достаточных для образования трехфазных слоев, которые содержат всплывшую фазу твердых асфальтенов, слой биораствора, который содержит остаточный битум, парафиновый растворитель и воду, и нижний слой, который содержит смесь глины и остатка песка.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что производят разделение указанных трех слоев с получением хвостов твердых асфальтенов, продукта в виде биораствора и смеси глины и остатка песка.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что смесь глины и остатка песка перемешивают с хвостами битуминозных песков для окончательного захоронения.
13. Способ по п.11, отличающийся тем, что продукт в виде биораствора рециркулируют в содержащие воду битуминозные пески для получения битумной пены.
14. Способ по п.10, отличающийся тем, что продукт в виде биораствора повторно используют при проведении операции разделения асфальтенов.
15. Способ по п.14, отличающийся тем, что операцию разделения асфальтенов проводят при температуре окружающей среды.
16. Способ по п.15, отличающийся тем, что операцию разделения асфальтенов проводят в течение приблизительно 30 мин.
17. Способ по п.13, отличающийся тем, что обработку содержащих воду битуминозных песков проводят при температуре ориентировочно до 55°С.
18. Способ по п.1, отличающийся тем, что питательное вещество для микроорганизмов содержит раствор по меньшей мере одной минеральной соли.
19. Способ по п.18, отличающийся тем, что жидкая минеральная соль не содержит материалов с органическим углеродом.
20. Способ по п.19, отличающийся тем, что раствор минеральной соли содержит ориентировочно на литр раствора 3,0 г Na2SO4, около 0,5 г MgSО4·7Н2О, около 0,5 г КСl, около 0,01 FeSO4 и около 1,0 г К2НРO4.
21. Способ по п.1, отличающийся тем, что бактериальную культуру выбирают из группы, в которую входят Pseudomonas sp., Corynebacterium sp., Flavobacterium sp., Nocardia sp., Arthrobacter sp., Micrococcus sp., Mycobacterium sp., Streptomyces sp. и Achromobacter sp.
22. Способ по п.1, отличающийся тем, что бактериальной культурой является Rhodococcus rhodochrous.
23. Способ по п.1, отличающийся тем, что бактериальной культурой является Bacillus sphaericus.
