從含油母質的巖層中就地回收烴的方法

專利名稱：從含油母質的巖層中就地回收烴的方法
技術領域：
本發明涉及一種由含油母質的巖層生產烴的方法。
從地下巖層得到的含烴物質常常用作能源、原料和消費產品。對可得烴類資源枯竭的關注已導致開發各種更有效的開采、加工和利用可得烴類資源的方法。就地處理方法可用于從地下巖層中移出烴類物質。
US-A-2923535和US-A-4886118中就述及這樣一種通過對油頁巖巖層加熱進行就地處理的方法。對油頁巖巖層進行加熱來使油頁巖巖層內的油母質熱解。該熱量也使巖層斷裂，以便提高巖層的滲透率。滲透率的提高使烴流體能從油頁巖巖層轉移到移出流體的生產井。在US-A-2923535的方法中，例如將一種含氧氣態介質引入到滲透層(優選還有來自預熱步驟的熱存在時)來引發燃燒油母質由已經熟化過程轉變的有機物質組成。包括油母質的含烴巖層包括但不限于含煤巖層和含油頁巖巖層。熟化過程可包括兩個階段生物化學階段和地球化學階段.生物化學階段一般包括有機物質通過需氧和厭氧機理的降解過程。地球化學階段一般包括因溫度變化和高壓所引起的有機物轉化過程。熟化過程中，隨著油母質有機物的轉化會產生油和氣。
例如，油母質可分為四種不同類型I型、II型、III型和IV型。具體類型取決于油母質的前體材料。前體材料經過一段時間轉變為顯微組分，即在前體材料基礎上衍生出的不同結構和性質的微觀結構。油頁巖可描述為一種I型或II型油母質且主要含來自類脂組的顯微組織，類脂組是由植物，特別是富脂質和樹脂的部分衍生而得的。類脂組內氫的濃度可高達9％。此外，類脂組具有較高的H/C比和較低的O/C比。由于I型油母質主要是由藻類體構成，故I型油母質還可進一步歸類為藻質體.I型油母質是由湖泊環境所形成沉積物得到的。II型油母質可由海洋環境沉積的有機物發展而成。
III型油母質一般包括鏡質組顯微組分。鏡質組是由細胞壁和/或木質組織(例如植物的莖、枝、葉和根)。III型油母質可在大部分腐殖煤中存在。III型油母質可由沼澤地沉積的有機物發展而來。IV型油母質包括惰性組顯微組織類。此類組織是由在早期埋葬成巖的泥煤階段中經歷氧化過程的植物如樹葉、樹皮和樹莖所構成。化學結構類似于鏡質組，但含高碳低氫。因此，被認為是惰性的。
隨著油母質熟化過程的進行，油母質的組成常常會發生變化。例如按III型油母質的煤級和熟化度排列，含煤巖層的煤級階段包括下列分級木質、泥煤、褐煤、亞煙煤、高揮發性煙煤、中揮發性煙煤、低揮發性煙煤、半無煙煤和無煙煤。另外，隨著煤級的提高，油母質呈現出芳香性增加的趨勢。
已發現某些巖層所產流體的性質可通過鏡質體反射率來評價。可用來評價含烴物質的性能指標包括但不限于由含烴物質所能產生的烴液體的量、所產生烴液體的API比重、由含烴物質所能產生的烴氣體的量和/或由含烴物質所能產生的二氧化碳的量。
因此，本發明提供一種就地熱解地下含油母質巖層的方法，包括由熱源向至少一部分含油母質巖層供熱，使至少一部分受熱部分達到油母質熱解溫度，得到熱解產物；從地下巖層收集熱解產物；其中地下巖層包括鏡質體反射率為0.2到3％的油母質。
“熱解“通常是指在無氧存在下由于加熱使化學鍵斷裂的過程。例如熱解過程可包括通過單加熱即無氧化反應的方法將化合物轉化為一或多種其它物質。本文所用“熱解產物”一詞是指含油母質巖層熱解過程中產生的流體。這是一個用來分類有機源巖的標準測量方法。
鏡質體反射率(Ro)是從拋光的鏡質體表面所反射光的百分數。這是一種用來分類有機源巖的標準測定方法。按照標準來制備樣品。將樣品壓碎成顆粒大小，然后嵌入封固劑中，切削表面并拋光，在顯微鏡下用反射光觀察。測量反射率，標準指出了所要用的方法，即ASTM D2798。已發現含油母質材料鏡質體反射率的提高與含烴物質的實質性重排一致。高鏡質體反射率的材料具有類似鏡子的性質，其熱傳導率可能提高。鏡質體反射率至少為0.25％的含油母質巖層可得到很好的結果，鏡質體反射率至少為0.4％的巖層所得結果甚至更好，最優選至少為0.5％。上限適宜為3.0％，更優選是2.0％，最優選是1.2％。
根據巖層內油母質的烴含量來選擇要處理的含油母質巖層較為有利。例如一種有利的要處理油母質中的烴含量大于2％(重)，優選大于3％(重)或更優選大于4％(重)(按干燥無灰狀態測定)。此外，所選斷面適宜包括其氫/碳元素比落在從0.5到2，且在很多情況下是從0.7到1.65范圍的油母質。
巖層內的氫可以是所產生烴流體中的中性基團。按此方式，巖層內存在的氫可通過將烴碎片轉化為較短鏈烴流體的方法基本抑制烴碎片的反應。這些烴流體可進入汽相且可由巖層產生。汽相中烴流體的增加可顯著減少所選巖層斷面內的焦化傾向。據信若巖層中存在的氫太少，那么對所生產流體的數量和質量會有負面影響。維持氫分壓是有利的，且如果天然存在的氫氣太少，那么可將氫氣或其他還原流體加到巖層中。
當加熱一部分含烴巖層時，該部分中的氧可形成二氧化碳和其它氧化物。最好是減低二氧化碳和其它氧化物的產量。此外，由巖層所產生的二氧化碳量可隨例如要處理的部分含烴巖層的氧含量而變動。因此，優先選擇和處理含元素氧百分數少于20％、優選少于15％且更優選少于10％的油母質的一部分巖層。另外有些實施方案可包括選擇和處理含氧/碳元素比小于0.15的油母質。或者，在選定要處理的一部分巖層內的至少一些含油母質材料的氧/碳元素比可以是0.03到0.12。按此方式，由含烴物質就地轉化過程所產生的二氧化碳和其它氧化物量就可減少。
電加熱器可用來通過輻射和/或傳導加熱地下巖層。電加熱器可以電阻加熱一個元件。US-A-2548360、US-A-4716960、US-A-5060287和US-A-5065818中描述了電加熱元件的實例。US-A-6023554描述了一種置于套管內的電加熱元件。加熱元件產生輻射能量將套管加熱。套管和巖層之間可放置粒狀固體填料。套管可傳導加熱填料，填料再傳導加熱巖層。最好采用無套管井身用于熱源。
US-A-4570715描述了一種電加熱元件。該加熱元件有一個圍有一層絕緣材料的導電芯，并外圍一個金屬套管。導電芯在高溫下的電阻較低。絕緣材料的電阻、耐壓強度和熱導性在高溫下較高。絕緣層阻止了從導電芯向金屬套管的擊穿。金屬套管的拉伸強度和抗蠕變性在高溫下較高。
燃料燃燒也可用來加熱巖層。在某些情況下，燃燒燃料來加熱巖層的方法比用電加熱巖層的方法更為經濟。有幾種不同類型的加熱器采用燃料燃燒為熱源來加熱巖層。燃燒可在巖層內、井壁內和或靠近表面處進行。巖層內的燃燒可以是火燒油層。將氧化劑泵送入巖層，氧化劑被點燃，火焰向前移動到生產井。泵送入巖層的氧化劑沿斷裂線和其它高滲透性通道流過巖層，在這樣的情況下，前進的火焰不能均勻通過巖層。
無焰燃燒器可用來燃燒井內燃料。US-A-5255742、US-A-5404952、US-A-5862858和US-A-5899269描述了一些無焰燃燒器。通過將燃料和燃燒空氣預熱到化合物自動點火溫度以上的溫度來實施無焰燃燒。燃料和燃燒空氣適合在加熱區混合進行燃燒。
也可由表面加熱器對巖層進行加熱。表面加熱器產生循環通過井身的燃燒氣來加熱巖層。或者，表面燃燒器用來加熱流經井身的傳熱流體，從而加熱巖層。US-A-6056057和US-A-6079499中例示說明了可用來加熱地下巖層的火焰加熱器或表面加熱器的實例。
含油母質的巖層可以是油頁巖。優選含油母質巖層是一種含煤巖層。本方法可行性的一個重要參數是地下巖層的熱導率。以前的文獻指出某些含烴巖層如煤加熱時呈現較低的熱導率和熱擴散系數值。例如J.M.Singer和R.P.Tye的題為“所選生煤和焦炭的熱、機械和物理性能”的政府報告No.8364[礦物局美國國內部(1979)]中，作者報告了四種生煤的熱導率和熱擴散系數。該報告包括了熱導率和熱擴散系數的圖表，表明直到400℃該值仍較低(例如熱導率約0.2W/m℃或更低，熱擴散系數約1.710-3cm2/s)。該政府報告稱“煤和焦碳是極好的熱絕緣體”。在“Hanna Basin煤的熱性能和結構”(美國機械工程師學會會刊，第106卷266頁，1984年6月)一文中也已證實這一發現，據該文報道，直到400℃高揮發性生煤的熱導率約為0.4-0.4W/m.K。所報道的這些含煤材料的熱導率值往往會使人喪失對煤采用就地加熱處理方法的信心。
已發現所用煤的熱導率要高于含煤材料熱導率的報道值。產生差異的原因據信至少部分可以解釋為假定所報道的值并未將當地煤的局限性考慮在內。
煤通常被采集用來做發電廠的燃料。用做燃料來發電的大部分煤被采出。但大量含煤巖層不適合經濟開采。例如。從深度傾斜煤層、薄煤層和/或深煤層中采煤就可能不太經濟可行。
要進行就地熱處理的含油母質巖層或其部分的寬度例如可為至少0.5m、或至少1.5m、或至少2.4m、甚或至少3.0m。所述寬度可達100米、或達1000米、甚或達2000米或更寬。要進行就地熱處理的含油母質巖層或其部分的層厚例如可為至少1m、更一般為從4到100m范圍、更典型為從6到60m。含油母質巖層的上覆巖層厚度例如可為至少10m、更典型是從20到800m或1000m范圍或是更厚。
薄煤層可以包括層厚小于10m的煤層。深煤層可以包括位于或延伸至地表水平面下深度大于760m的煤層。煤燃燒發電的能量轉化效率比燃料如天然氣要低。還有煤燃燒發電通常會產生大量二氧化碳、硫的氧化物和氮的氧化物及顆粒物，釋放到大氣中。
熱源可用來加熱地下巖層。適合借助一或多個井身將熱源應用于巖層。適合借助生產井收集熱解產物。熱源數量可以變動。最好每個生產井用一個以上的熱源。每個生產井所用熱源數量最好在從1到16個范圍。例如，在一個實施方案中，含烴材料就地轉化過程包括將至少一部分含烴巖層用置于巖層內的一批熱源加熱。在某些實施方案中，按與生產井基本等距放置一批熱源。可采用一定圖案(如三角形排布)。
熱源之間的間隔一般在從5m到20m、優選從8m到15m范圍。優選熱源以基本等距的三角形放置，因為與其他形狀例如六角形相比，它能對巖層的最冷點提供更加均勻的加熱。此外，三角形能比其他形狀例如六角形提供更快的加熱速率，以達到預定的溫度。另外，含烴材料就地轉化過程包括將至少一部分巖層用基本平行含烴巖層邊線放置的熱源加熱。在一個實施方案中，不論熱源的排列方式和間距如何，置于巖層內的熱源與生產井比例大于8。
某些實施方案還包括使熱從一或多個熱源傳遞到所選受熱部分的斷面。在一個實施方案中，所選斷面位于一或多個熱源之間。例如就地轉化過程還包括使熱從一或多個熱源傳遞到所選巖層的斷面，以便來自一或多個熱源的熱量能將所選斷面內的至少一些含烴材料熱解。按此方式，就地轉化過程包括將至少一部分含油母質的巖層加熱到巖層內含烴材料的熱解溫度以上。熱解溫度適合包括至少250℃，優選270℃的溫度。最好該溫度至少是305℃，可基本通過熱傳導使熱從一或多個熱源傳遞到所選斷面。熱解溫度的范圍可高達900℃，但優選不超過400℃。在另一個實施方案中，可加熱該部分，使所選斷面的平均溫度小于375℃，在從270到375℃下進行熱解反應。
可選擇熱源間距來增加所選斷面的面積。按此方式，選擇熱源間距來增加熱源的效率，從而提高所選含烴材料就地轉化方法的經濟生存能力。
可按從0.1℃/天到50℃/天范圍的加熱速率來加熱一部分含油母質的巖層。適宜按從0.1℃/天到10℃/天范圍的加熱速率來加熱所選部分的含油母質巖層。例如，以約0.1℃/天到10℃/天范圍內的加熱速率，可從巖層中產出大部分烴類。尤其是在熱解溫度范圍內，加熱速率要低。因此，在整個熱解溫度范圍內，最好是按從0.1℃/天到1℃/天，特別是小于0.7℃/天的加熱速率來加熱含油母質巖層。熱解溫度范圍適合包括上述溫度范圍，即從270到400℃。熱解溫度以下，加熱速率的影響不大，可上至50℃/天，優選從3到10℃/天。例如，在熱解溫度范圍所需全部時間的50％以上、更優選該溫度范圍所需全部時間的75％以上、或更加優選該溫度范圍所需全部時間的90％以上的時間內以該速率加熱含烴巖層的受熱部分。
加熱含油母質巖層的速率可能會影響從含烴巖層生產的熱解產品的數量和質量。例如，在進行費歇分析法的情況中，以高加熱速率進行加熱可以從含烴巖層中生產出更多數量的流體。但是，此方法的產品質量明顯低于采用低于約10℃/天加熱速率加熱時得到的產品。以低于約10℃/天的升溫速率加熱可使熱解反應能在減少焦碳和焦油產量的熱解溫度范圍內進行。此外，升溫速率小于3℃/天則可通過進一步減少含烴巖層內的焦油產量而進一步提高所生產流體的質量。
按本發明方法的就地熱解過程可包括在生產井處監測升溫速率。但是，一部分含油母質巖層內的溫度可在一部分含油母質巖層內的不同位置處測定。例如處理一部分含烴巖層的方法包括監測一部分兩個相鄰熱源中點處的溫度。溫度監測可在整個處理期間進行。按此方式，也可監測升溫速率。升溫速率可影響由巖層所生產的熱解產物的組成。同樣，可對升溫速率進行監測、改變和/或控制，例如用來改變由巖層所生產的熱解產物的組成。該部分的溫度例如可通過一個位于巖層內的測試井來監測。例如監測井放置在第一和第二熱源之間的巖層內。某些系統和方法包括將來自第一和/或第二熱源的熱量控制到以低于每天所選量的速率來提高測試井處所監測的溫度。另外或是換一種方式，在生產井處監測該部分的溫度。照此方式，按本發明的就地處理過程包括將來自第一和/或第二熱源的熱量控制到以低于每天所選量的速率來提高生產井處所監測的溫度。
所選含油母質巖層受熱部分斷面內的壓力隨例如深度、熱源間距離、含烴巖層內含烴物質的豐富程度和/或生產井間的距離而變動。
現已發現，在含油母質巖層中維持高壓能進一步改善熱解產物的產品質量。
可在熱解過程及由巖層生產熱解產物的過程中控制壓力。盡管壓力可以是大氣壓，但壓力適合采用至少1.4巴(0.14MPa)，優選采用1.5巴(0.15MPa)，更典型是至少1.6巴，特別是至少1.8巴。特別是當熱解溫度至少為300℃時，適合采用至少1.6巴的壓力。壓力的上限可由上覆巖層的結構和重量來確定。在實際條件下，壓力通常小于70巴、更常常小于60巴或甚至小于50巴。壓力最好控制在從2到18巴或20巴范圍內，或者是控制在從20到36巴范圍內。
在含煤巖層中，壓力適合控制在1.4巴(絕對)到36巴(0.14-3.6MPa)范圍內。優選壓力至少1.5巴(0.15MPa)。例如，本方法可包括控制巖層受熱部分的多數所選斷面內的壓力。熱解過程中所控制的壓力優選在2巴(0.2MPa，絕對)以上。就地轉化含油母質巖層的方法優選包括升高并維持巖層中的壓力在20巴(2MPa，絕對)范圍內。可在生產井或熱源處控制巖層中的壓力。可在幾個不同位置測定巖層內的壓力，包括但不限于井口處和井身的不同深度處。在某些實施方案中，在生產井處測量壓力。在另一實施方案中可在加熱井處測量壓力。另外，可采用與上述溫度測量所用測試井類似的測試井。
可配置閥門來維持、改變和/或控制含烴巖層受熱部分內的壓力。例如，置于含烴巖層內的熱源可連接到一個閥上。使閥門配置成能通過熱源從巖層中釋放出流體。另外，可將壓力閥與生產井連接，置于含烴巖層內。在某些實施方案中，收集經閥門釋放的流體并輸送到地表單元，用于進一步加工和/或處理。
熱解產物包括分子氫。已意外發現，控制形成條件來控制所生產流體內氫氣壓力能改善所生產流體的質量。因此，最好將形成條件控制為熱解產物中的氫氣分壓大于約0.5巴(0.5MPa，絕對)，是在生產井處測量的壓力。
可將一種還原劑提供給至少一部分巖層。加熱期間提供給一部分巖層的還原劑可提高所選熱解產物的產量。還原劑可包括但不限于分子氫。據信含油母質巖層的熱解反應可得到烴碎片。這些烴碎片可彼此反應或與巖層中存在的其它化合物反應。這些烴碎片的反應可提高烯烴和芳烴化合物的產量。提供給巖層的還原劑可與這些烴片反應形成所選產物和/或抑制非選產物如烯烴和芳烴的產量。熱解反應中會產生分子氫。也可能加氫，通過熱碳與水蒸氣的反應可產生這樣的氫。通過將注入的烴流體裂化也可產生分子氫。也可由第一部分含烴巖層所生產的至少一部分熱解產物給第二部分含烴巖層提供還原劑，例如將第一部分巖層所產生分子氫提供給第二部分巖層。
在另一個實施方案中，受熱部分巖層內的壓力足以提高巖層內熱解產物的汽相輸運。汽相輸運的提高部分是由于一部分含烴巖層內產生的氫所致。據信所產生的組分可包括雙鍵和/或自由基。熱解產物中的H2可將所產熱解產物中的雙鍵還原，因而降低了所產熱解產物聚合的傾向。此外，氫也可中和所產熱解產物中的自由基。因此，據信氫基本能阻止所產熱解產物彼此間的反應或與巖層內其它化合物的反應。按此方式，較短鏈流體可進入汽相并從巖層中產出。
增加汽相熱解產物的量能大大降低所選巖層斷面內焦化的傾向。汽相輸運也提高烴回收效率。焦化反應可在液相發生。由于許多所生成的組分轉化為短鏈烴，進入了汽相，降低了所選斷面內的焦化傾向。由于焦化還可能降低巖層的滲透率，因此增加汽相熱解流體的量還能提高巖層的滲透性。
由于從巖層中產出熱解產物，則至少一部分巖層的質量將減少。至少一部分巖層的滲透率和/或孔隙率將增加。此外，加熱時移出的水也可使至少一部分巖層的滲透率和/或孔隙率增加。
在某些實施方案中，至少一部分含油母質巖層的滲透率將增加到0.01或0.1，甚或1達西以上。在某些實施方案中，至少一部分含油母質巖層的滲透率將獲得基本均勻的增加。至少一部分含油母質巖層的孔隙率也可基本均勻地增加。
將含烴巖層加熱到熱解溫度范圍的步驟可能發生在含烴巖層內已產生較大滲透性之前。初始時缺乏滲透性可能會阻止從熱解段產生的流體在巖層內傳輸。按此方式，隨著熱量開始從熱源傳遞到含油母質巖層，靠近熱源的含油母質巖層內的流體壓力可能會升高。這種流體壓力的升高例如是由巖層內至少一些含烴物質熱解時產生流體而造成的。可通過這樣一個熱源來對升高的壓力進行釋放、監測、改變和/或控制。例如，熱源可包括一個上述實施方案中的閥。可配置這樣一個閥來控制流體進出熱源的流速。此外，熱源可包括一個開孔構造，可由此釋放壓力。
或者，雖然巖層中還沒有流向生產井的通道或任何其他降壓手段，因烴流體或由巖層中產生的其他流體的膨脹所形成的壓力會升高。此外，流體的壓力可能會升高到巖石靜壓，以致含烴巖層內可從熱源到生產井間形成裂縫。當流體的壓力等于或超過巖石靜壓時，可能形成斷裂現象。例如，可從熱源到生產井間形成裂縫。由于通過生產井來進行熱解產物的生產，那么受熱部分內所產生的裂縫將使壓力下降。為在受熱部分內維持一個選定的壓力，可在生產井處維持一個背壓。
含烴巖層內的流體壓力可根據諸如含烴物質的熱膨脹、產生的熱解流體和由巖層所產生流體的采出量等情況而發生變動。例如，隨著巖層內產生流體，孔內流體壓力可能會提高。將所產生的流體由巖層移出可以降低巖層內的流體壓力。
按本發明的方法能對烯烴的生產進行改變和/或控制。例如，本方法可包括以一定的加熱速率加熱該部分來生產其中烯烴含量小于熱解產物可冷凝組分約10％(重)的熱解產物。烯烴產量的減少能大大降低這類烯烴覆蓋管表面的傾向，從而減小了通過該管生產烴類的相關困難。烯烴產量的減少往往還能抑制熱解過程中烴類的聚合反應，從而提高所生產流體的質量(例如通過降低碳數分布、提高API重度等手段)。
但在某些實施方案中，可以一定的加熱速率加熱該部分來選擇性提高烴流體中可冷凝組分的烯烴含量。例如，可將烯烴從該可冷凝組分中分出并用來生產另外產品。
在某些實施方案中，一部分巖層進行熱解之后，可由殘留在巖層內的含烴物質生產合成氣。該部分的熱解過程可在整個部分中產生較高的基本均勻的滲透性。這種較高的基本均勻的滲透性能在合成氣中不產出大量烴流體的情況下產生合成氣。該部分還具有大的表面積和/或大的表面積/體積比。產生合成氣的過程中大表面積能使合成氣產出反應基本上處在平衡條件下。與未經這樣處理的含烴巖層中產生的合成氣相比，較高的基本均勻的滲透性可使合成氣回收率較高。
可在從巖層生產熱解產物過程之前或之后從巖層中生產合成氣。合成氣，盡管通常定義為氫和一氧化碳的混合物，還可包括另外的組分，例如水、二氧化碳、甲烷和其他氣體。合成氣產生過程可在烴流體產量下降到不經濟的水平之前和/或之后進行。按此方式，供給熱解反應的熱量也可用來生產合成氣。例如，若熱解后一部分巖層處于270到375℃的溫度，那么通常只需要較少的外加熱量就可將該部分加熱到足以支持合成氣生產的溫度。
在一些實施方案中，至少一些含烴物質的熱解過程能將可利用的初始碳的20％轉化。合成氣生產過程將至少另外10％且一般達另外70％的可利用初始碳轉化。按此方式，從含烴巖層就地生產合成氣的方法可使該部分中更多數量的可利用初始碳轉化。
可在寬的溫度范圍內生產合成氣，例如是400到1200℃之間、更典型是600到1000℃之間的溫度。在較低的合成氣生產溫度下，往往生產有高H2/CO比的合成氣。較高的巖層溫度可生產H2/CO比接近1的合成氣，且料流主要包括(在某些情況下基本上只為)H2和CO。在約700℃的巖層溫度下，所述巖層可生產H2/CO比為2的合成氣。一般來說，可生產H2/CO摩爾比從1∶4至8∶1范圍、更典型是從1∶2至4∶1范圍，特別是從1∶1至2.5∶1范圍的合成氣。某些實施方案可包括將第一合成氣與第二合成氣混合來生產所期望組成的合成氣的步驟。第一和第二合成氣可由巖層的不同部分生產。
合成氣生產過程所用熱源可包括本文所舉實施方案中述及的任何一種熱源。或者，加熱步驟可包括由巖層中的多個井身內流動的傳熱流體(例如水蒸汽或燃燒器的燃燒產物)所傳遞的熱量。
可將生產合成氣所用流體(例如液體水、水蒸汽、二氧化碳、空氣、氧、烴類及其混合物)提供給巖層。例如，生產合成氣所用流體混合物可包含水蒸汽和氧氣。在一個實施方案中，生產合成氣所用流體可包括熱解巖層內一或多個其它部分中的至少一些含烴物質所生成的含水流體。提供生產合成氣所用流體的步驟或者可包含將巖層的地下水位升高，使水能流入巖層的步驟。生產合成氣所用流體也可通過至少一個注入井身來提供。生產合成氣所用流體通常將與巖層中的碳反應形成H2、水、CO2和/或CO。一部分二氧化碳可與巖層中的碳反應生成一氧化碳。可將烴類例如乙烷加入生產合成氣所用流體中。當將烴類引入巖層時，它們可裂化生成氫氣和/或甲烷。所生成的合成氣中存在甲烷可提高所生產合成氣的熱值。
產生合成氣的反應一般為吸熱反應。在一個實施方案中，在生產合成氣所用流體中加入一種氧化劑，氧化劑包括但不限于空氣、富氧的空氣、氧氣、過氧化氫、其他氧化性流體或它們的組合形式。氧化劑可與巖層中的碳反應來放熱性產生熱量。氧化劑與巖層中的碳反應能生成CO2和/或CO。引入氧化劑與巖層中的碳反應能很經濟地將巖層溫度升高到足以由巖層中的碳生產大量H2和CO。
按本文進一步的描述，合成氣生產過程可通過間歇工藝或連續工藝進行。合成氣可由包括一或多個熱源的一或多個生產井產出。這些熱源可按能促進生產具有理想組成的合成氣的方式操作。
某些實施方案可包括監控所生產的合成氣組成，并監控加熱狀況和/或監控合成氣生產所用流體的輸入量，來維持所生產合成氣的組成在理想范圍內。例如，所生產的一個理想組成合成氣的氫/一氧化碳比為約2∶1。
某些實施方案可包括將第一合成氣與第二合成氣混合來生產所期望組成的合成氣的步驟。第一和第二合成氣可由巖層的不同部分生產。
本文所述合成氣可轉化為更重質可冷凝烴類。例如，可與費托烴類合成過程配套將合成氣轉化成支化或直鏈烴類，特別是鏈烷烴類。由費-托合成法生產的烷烴可用于生產其他產品，例如柴油、噴氣燃料和石腦油產品。所生產的合成氣也可用于催化甲烷化過程來生產甲烷。或者，合成氣可用來生產甲醇、汽油和柴油、氨和中間餾分油。所生產的合成氣也可作為燃燒燃料用于加熱巖層。所生產合成氣中的氫可用于油品改質。
合成氣也可用于其他一些用途。合成氣可作為燃料燃燒。合成氣也可用來合成許多無機和/或有機化合物如烴類和氨。合成氣可通過減小合成氣在氣輪機中的壓力或利用合成氣的溫度來制造水蒸汽(然后推動氣輪機)的方法用來發電。也可將合成氣用于諸如熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池或其他類型燃料電池的產能單元。
在一個實施方案中，將已經熱解過程和/或合成氣生產過程處理的一部分巖層進行冷卻，或是冷卻成巖層內一個冷的廢棄部分。例如，經受熱的部分巖層可通過將熱量傳遞給相鄰的巖層部分而冷卻。傳熱可自然地發生，也可通過送入傳熱流體，使它通過受熱部分流入巖層較冷的部分來強制完成。或者，將水送入巖層的第一部分使第一部分冷卻。送入第一部分的水以水蒸汽形式從巖層中移出。將移出的水蒸汽注入熱的巖層部分用來生產合成氣。
對本領域技術人員來說，根據下面詳細描述的優選實施方案的好處并參考其中的附圖，可很容易看出本發明的進一步優異之處

圖1示出就地實驗場地試驗系統的橫斷面視圖；圖2例示說明實驗場地試驗系統中熱源、生產井和溫度觀測井的位置；圖3例示說明所生產的液態烴累積體積隨時間關系(m3/天)的函數圖；和圖4例示說明在同一就地試驗中所生產的氣體累積體積(標準立方英尺)隨時間關系(天)的函數圖。
實施例1進行一系列實驗來確定鏡質體反射率對從這類含油母質巖層中所生產流體性質的影響。系列實驗包括費歇分析試驗和生油巖評價熱解試驗。在幾個煤方(cubes of coals)上進行系列實驗來確定每種煤的源巖性質和評估每種煤的潛在油氣產量。
生油巖評價熱解試驗是為評估預期源巖的生產總量和熱熟化度所開發的一種石油勘探工具。在氦氣氛下將研磨樣品熱解，先將樣品加熱并在300℃溫度下保持5分鐘，釋放出烴類。將樣品以25℃/分鐘的速率進一步加熱到最終溫度600℃，進一步產生烴類。通過熱導檢測方法來測量所生成的任何CO2。結果以油的百分數(以干燥無灰態樣品為基礎計算)列出。
在實驗室中處理七種不同煤級的煤來模擬就地轉化過程。不同煤樣品被較快地加熱到250℃，隨后以約2℃/天的速率加熱到600℃且壓力(P)如表I所示。將產物冷卻，并收集油狀的冷凝相。
表I
VR是鏡質體反射率，％FA是費歇分析試驗結果，以干燥無灰計算的油收率，用加侖/噸(4.210-3L/Kg)表示；RE是生油巖評價熱解試驗，以干燥無灰樣品計算的油％(重)；ICP是在模擬就地轉化過程的實驗室實驗中所得到油收率，以干燥無灰計算，用加侖/噸表示；P/A是油中鏈烷烴與芳烴之比；C/A是油中環烷烴與芳烴之比；和API是API比重，以°表示。
結果清楚地表明，鏡質體反射率對油收率和所生產烴的性質有影響。較好的范圍似乎是從0.4-1.2％，最佳結果似乎是鏡質體反射率為0.7-0.9％附近。實施例2將鏡質體反射率為0.71％的Fruitland高揮發性B含瀝青煤方以2℃/天的速率加熱。表II示出通過以2℃/天的速率加熱到450℃時此煤方所生成產物的產率。另外，表II還示出通過兩塊不同產地的相似類型煤的流化床氣化法所生成產物的產率分數。兩塊不同煤包括猶他州高揮發性含瀝青煤和伊利諾斯州No.6高揮發性含瀝青煤。流化床氣化法的收率數據是由Jacobs、Jones和Eddinger得到的，發表于《化學工業與工程，過程設計和進展》第10卷4期(1971)558-562頁的“COED法煤衍生油的氫化過程”一文中。產率分數的定義是石腦油(初沸點到166℃)，噴氣燃料(166℃到249℃)，柴油(249℃到370℃)和塔底(沸點大于370℃)。
表II
表I所示流化床法的產率分數是象征性表示可由包括快速加熱和以一定升溫速率進行熱解的過程得到的產率分數。快加熱速率可包括大于約20℃/天。進行熱解的升高后的溫度可為450℃。與此相對照，由加熱煤方所得到的產率分數是象征性表示可由包括慢加熱和較低溫熱解的過程所得到的產率分數。由煤方所生產的全部油的API比重約37°。與此相對照，由流化床氣化法-猶他州煤所生產的全部油的API比重約約-3.5°。由流化床氣化法-伊利諾斯州煤所生產的全部油的API比重約約-13.1°。按此方式，慢速加熱煤方能生產更好的產品，其API比重高于由快速加熱煤所生產的產品。
在一個罐內用自己的煤重復實驗，當溫度達到約390℃時，可凝烴的生產基本完成。從270℃開始有甲烷產出。270到400℃之間產出可凝烴、甲烷和氫氣。溫度高于400℃時，連續產出甲烷和氫氣。高于約450℃后甲烷濃度下降。實施例3通過在部分含煤巖層中進行就地實驗的方法從含煤巖層生產烴流體。所述的煤為鏡質體反射率為0.54％的高揮發性含瀝青“C”煤。用電加熱器加熱。圖1示出就地實驗場地試驗系統的橫斷面視圖。如圖1所示，實驗場地試驗系統包括至少一部分在場地和水泥漿壁(3800)內的含煤巖層3802。含煤巖層3802以約36°的角度傾斜截取厚度約4.9米。圖2例示說明實驗場地試驗系統中所用熱源(3804a、3804b、3804c)、生產井(3806a、3806b)和溫度觀測井(3803a、3803b、3803c、3803d)的位置。以三角形的結構放置三個熱源。生產井3806a近似位于三角形熱源的中心并與每一熱源等距離。第二生產井3806b位于熱源三角形外面并與最接近的兩個熱源等距離。在三角形熱源和生產井周圍砌一圈水泥漿壁3800。水泥漿壁包括一些柱子1-24。水泥漿壁3800用以阻止水回流到進行就地實驗的部分。此外，水泥漿壁3800還用來基本阻止所產烴流體流失到未加熱部分巖層內。
測量實驗期間不同時間時四個溫度觀測井3808a、3808b、3808c、位于熱源三角形外的3808d(如圖2所示)每一個井處的溫度。溫度觀測井3808a、3808b和3808c處的溫度彼此接近。溫度觀測井3808d處的溫度明顯較冷。該溫度觀測井位于加熱井三角形外(如圖2所示)。該數據表明在只有很少熱疊加的區域內溫度明顯要低。熱源處的溫度分布較均勻。
圖3例示說明3840所生產的液態烴累積體積隨時間關系(m3/天)的函數圖。圖4例示說明在同一就地試驗中3910所生產的氣體累積體積(標準立方英尺)隨時間關系(天)的函數圖。圖3和圖4僅示出就地試驗熱解階段的結果。處理過程中產出較高質量的產品。
對來自場地實驗現場的煤方進行兩個實驗室實驗。一個實驗在1巴絕壓(0.1MPa)下進行，第二個壓力為8巴絕壓(0.8MPa)。實驗室碳數分布近似于在1巴絕壓下進行場地實驗所得到的分布。隨壓力升高，烴流體的碳數范圍減小。當在8巴絕壓下操作時可觀察到碳數小于20的產物增加。壓力從1巴絕壓升高到8巴絕壓也使可凝烴流體的API比重增加。所產可凝烴流體的API比重分別為約23.1°和約31.1°。該API比重的增加表示更高值產品的產量提高。實施例4表III例示說明通過費歇分析試驗所產生的沸點切割油的分數和由上述煤方試驗所產生的沸點切割油的分數。場地實驗是一種就地轉化方法(ICP)，是以很慢的速率加熱到低于費歇試驗的最終溫度。表III示出從Fruitland高揮發性含瀝青“B”煤(鏡質體反射率為0.71％)所生產的不同沸點切割油的重量分數。不同沸點切割油代表不同烴流體組成。所例示的沸點切割油包括石腦油石腦油(初沸點到166℃)，噴氣燃料(166℃到249℃)，柴油(249℃到370℃)和塔底(沸點大于370℃)。ICP液體是有更大價值的產品。ICP液體的比重顯著大于費歇法液體的API比重。ICP液體還包括遠低于費歇法液體的塔底表III
進一步發現，該部分加熱速率的降低使烯烴產量下降。實施例5對按就地轉化法處理的巖層進行實驗，來測量熱解后巖層的均勻滲透性。將一部分含煤巖層加熱后，向第一生產井3806a處的巖層注入10秒脈沖的CO2并在井3804a處產出，如圖2所示。從生產井3806a到井3804b和從生產井3806a到井3804c重復進行CO2示蹤試驗。如上所述，三個不同熱源各自與該熱源等距放置。以4.08m3/小時的速率注入CO2。CO2以近似相同的時間到達三個不同熱源的每一個。從這三個不同井單位時間各自得到的CO2量也基本相等。這種示蹤脈沖CO2近似等速通過巖層傳輸和從巖層得到近似相等CO2收率的情況表明巖層是基本均勻滲透的。在加熱井三角形內的不同井間進行穩態氣體滲透率測量試驗。處理后的滲透率范圍從4.5達西到39達西，平均值約20達西。初始滲透率范圍在約50毫達西。開始脈沖注入CO2后約18分鐘僅有第一CO2到達的情況表明井3806a與3804a、3804b和3804c之間還未生成滲透通道。
權利要求
1.一種就地熱解地下含油母質巖層中烴類的方法，包括向至少一部分含油母質巖層供熱，使至少一部分受熱部分達到油母質熱解溫度，得到熱解產物；和從地下巖層收集熱解產物；其中所選地下巖層包括鏡質體反射率為0.2到3％的油母質。
2.按權利要求1的方法，其中含油母質巖層是一種含煤巖層。
3.按權利要求1或2的方法，其中壓力適合控制在1.4-36，優選2-20巴絕壓的范圍內。
4.在按權利要求1到3任一項的方法，其中其中熱解溫度范圍從270-400℃，優選從275-375℃。
5.按權利要求1到4任一項的方法，其中含油母質巖層被一或多個熱源加熱并借助一或多個生產井收集熱解產物。
6.按權利要求5的方法，其中每個生產井的熱源數范圍為從1到16，優選從8到16。
7.按權利要求1到6任一項的方法，其中油母質的鏡質體反射率從0.25到2.0％，優選從0.4到1.2％。
8.按權利要求1到7任一項的方法，其中油母質的氫含量大于2％(重)，優選大于3％(重)。
9.按權利要求1到8任一項的方法，其中油母質包括從0.5到2，優選從0.7到1.65的氫/碳元素比。
10.按權利要求1到9任一項的方法，其中油母質的元素氧重量百分數小于20％，優選小于15％。
11.按權利要求1到10任一項的方法，其中油母質的氧/碳元素比為0.03到0.12。
12.按權利要求1到11任一項的方法，其中收集熱解產物后，將含油母質巖層與合成氣生產所用流體進行反應。
全文摘要
本發明提供一種就地熱解地下含油母質巖層中烴類的方法，包括向至少一部分含油母質巖層供熱，使至少一部分受熱部分達到油母質熱解溫度，得到熱解產物；和從地下巖層收集熱解產物；其中所選地下巖層包括鏡質體反射率為0.2到3％的油母質。本發明還進一步提供一種收集熱解產物后將含油母質巖層與合成氣生產所用流體進行反應來生產合成氣的方法。
文檔編號C09K8/592GK1432097SQ01810453
公開日2003年7月23日 申請日期2001年4月24日 優先權日2000年4月24日
發明者I·E·伯肯克, E·德魯菲格納克, G·T·沙因, H·J·萬嘉, S·L·威靈頓, E·張 申請人:國際殼牌研究有限公司