專利名稱：處理含烴巖層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過熱解巖層中存在的烴類來就地處理含烴巖層以及從所述巖層生產(chǎn)烴流體的方法。
從地下巖層得到的烴類常常用作能源、原料和消費(fèi)產(chǎn)品。對(duì)可得烴類資源枯竭的關(guān)注已導(dǎo)致開發(fā)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(zhì)?？赡苄枰淖兊叵聨r層中烴類物質(zhì)的化學(xué)和/或物理特性，使烴類物質(zhì)更容易從地下巖層中移出。化學(xué)和物理變化可包括一些能生成可移出流體、巖層內(nèi)烴類物質(zhì)發(fā)生溶解性變化、相變化和/或粘度變化的就地反應(yīng)。流體可以是但不限于是氣體、液體、乳液、漿液和/或具有類似液流流動(dòng)特性的固體顆粒流。
US-A-2634961、US-A-2732195、US-A-2780450、US-A-2789805、US-A-2923535和US-A-4886118中公開了一些利用井下加熱器的就地處理法的實(shí)例。
例如，在US-A-2923535和US-A-4886118中述及對(duì)油頁巖巖層加熱的方法。其中，對(duì)油頁巖巖層進(jìn)行加熱來使油頁巖巖層內(nèi)的油母質(zhì)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(zhuǎn)移到移出流體的生產(chǎn)井。在US-A-2923535中，閉所有的氣體出口閥來施加壓力，以便測(cè)試巖層對(duì)氣體和蒸汽的孔隙率和滲透性。但是，US-A-2923535對(duì)在氣體和蒸汽的生產(chǎn)過程中維持高壓確未提及。
已作了大量努力來開發(fā)從含烴巖層經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)烴類、氫和/或其他產(chǎn)品的方法和系統(tǒng)。但是，目前仍然存在許多還不能從中經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)烴類、氫和/或其他產(chǎn)品的含烴巖層。因此，仍有需要一些能從各種含烴巖層生產(chǎn)烴類、氫氣和/或其他產(chǎn)品的改進(jìn)方法和系統(tǒng)。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在熱解過程中施加中等，氫分壓通常低于50巴，從巖層生產(chǎn)的烴類流體的質(zhì)量可提高。特別是，中等氫分壓的氫存在使API重度增加。此外，它還使長鏈烴類流體、烯烴和多環(huán)芳烴化合物的產(chǎn)量下降，以及它還使焦油和其他難以改質(zhì)的交聯(lián)產(chǎn)物的生成量減少。
考慮到現(xiàn)有技術(shù)，這一點(diǎn)是意想不到的結(jié)果。例如，US-A-2595979公開了超過1000psi(約70巴)一直到10000psi(約700巴)的氫分壓的應(yīng)用，此外結(jié)構(gòu)限制通常要求使用這一范圍較低部分的壓力，而較高的壓力是希望的。
因此，本發(fā)明的方法包括在至少0.1巴和至多50巴的氫分壓下在氫存在下使巖層中的烴類熱解。
適宜的是，熱裂中生產(chǎn)烴類流體的數(shù)量、組成和質(zhì)量可通過控制與所用溫度有關(guān)的壓力(反之亦然)來控制。在這方面，烴類流體的數(shù)量、組成和質(zhì)量可由一種或多種相關(guān)的性質(zhì)來確定，例如API重度、烯烴/烷烴比、碳/氫元素比、生成的等價(jià)(氣體和液體)、生成的液體、FischerAssay百分比及烴類流體內(nèi)碳原子數(shù)大于25的烴類存在?？缮a(chǎn)有相關(guān)性質(zhì)的烴類流體的與所述溫度有關(guān)的壓力或與所述壓力有關(guān)的溫度可用一方程式，即下文中的“方程式1”來確定。P=0.07*e-AT+273+B]]>式中P為壓力(巴，絕對(duì))，T為溫度(℃)，A和B為與相關(guān)性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)，可用經(jīng)驗(yàn)來確定。因子0.07和參數(shù)A和B的量綱是這樣的，以致與P和T的量綱符合。
在許多情況下，溫度/壓力控制的應(yīng)用涉及到在熱解過程中高壓的應(yīng)用?？磥砀邏旱膽?yīng)用有許多意想不到的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)與本發(fā)明的溫度/壓力控制的應(yīng)用無關(guān)。
在巖層中升高壓力能生產(chǎn)改進(jìn)的烴流體。隨著巖層中壓力升高，從巖層中生產(chǎn)的烴流體包括較大部分的不可凝組分。按此方式，在如此壓力下所生產(chǎn)的大部分量(例如大半以上量)烴流體與較低壓力下所生產(chǎn)的烴流體相比，會(huì)包括更輕和更高質(zhì)量的可凝組分。
已發(fā)現(xiàn)在熱巖層中維持高壓能明顯抑制碳數(shù)例如大于約25的烴流體和/或多環(huán)烴類化合物的生產(chǎn)。在熱巖層中維持高壓還能使從巖層生產(chǎn)的烴流體的API比重增加。因此，較高的壓力可提高具有更高API重度的較短鏈烴流體的產(chǎn)量。
此外，在巖層中維持高壓還可抑制巖層下沉。在巖層中維持高壓往往還能減小用來輸送可凝組分的收集導(dǎo)管的所需尺寸。在巖層中維持高壓還便于由所生產(chǎn)的不凝流體來發(fā)電。例如，所生產(chǎn)的不凝流體可通過氣輪機(jī)來發(fā)電。
本發(fā)明還提供一種生產(chǎn)合成氣的方法，所述方法包括提供一種要按本發(fā)明方法處理的含烴巖層并將含烴巖層與產(chǎn)生合成氣的流體進(jìn)行反應(yīng)。
本發(fā)明還提供一種生產(chǎn)烴類的方法，所述方法包括提供一種按本發(fā)明生產(chǎn)的合成氣和將該合成氣轉(zhuǎn)化成烴類。
本發(fā)明還提供一種生產(chǎn)能量的方法，所述方法包括提供一種按本發(fā)明生產(chǎn)的合成氣和將該合成氣膨脹和/或燃燒。
US-A-5236039公開了一種使用射頻熱源將巖層加熱到熱解溫度來就地處理含烴巖層的方法。在此文獻(xiàn)中，并未總體性地述及壓力對(duì)該方法或其結(jié)果的影響。但是，在所涉及發(fā)明的相關(guān)模擬過程中，順帶提到將50psi壓力與高達(dá)575°F的熱解溫度結(jié)合使用的內(nèi)容(參見該專利的表1)。在該發(fā)明的處理方法中，高達(dá)301.7℃(575°F)下施加3.52巴(50psi)的壓力與射頻加熱結(jié)合使用的情況未包括在該專利的權(quán)利保護(hù)范圍內(nèi)。
除非另加說明，術(shù)語“壓力”在這里指絕對(duì)壓力。壓力主要是在從巖層生產(chǎn)烴流體或在合成氣生產(chǎn)過程中，采用的溫度T和壓力P在生產(chǎn)井中在緊靠發(fā)生熱解或產(chǎn)生合成氣的巖層相應(yīng)部分處測(cè)量。另一方面，溫度T可在加熱器井產(chǎn)生的熱輸入量和熱解反應(yīng)產(chǎn)生或消耗的熱量和巖層特性來確定。
優(yōu)選用于本發(fā)明的含烴巖層含有油母質(zhì)。油母質(zhì)由已經(jīng)熟化過程轉(zhuǎn)變的有機(jī)物質(zhì)組成。包括油母質(zhì)的含烴巖層例如為含煤巖層和含油頁巖巖層。或者，可將不包括油母質(zhì)的含烴巖層，例如含重質(zhì)烴類的巖層(例如瀝青砂類)進(jìn)行處理。
可根據(jù)至少一部分巖層的性質(zhì)來選擇要就地處理的含烴巖層，以便能從巖層生產(chǎn)高質(zhì)量流體。例如，可根據(jù)油母質(zhì)的鏡質(zhì)體反射率來評(píng)估或選擇要處理的包括油母質(zhì)的含烴巖層。鏡質(zhì)體反射率常與油母質(zhì)的氫/碳元素比和氧/碳元素比有關(guān)。優(yōu)選鏡質(zhì)體反射率在從0.2％到3.0％、更優(yōu)選從0.5％到2.0％范圍內(nèi)。鏡質(zhì)體反射率處于該范圍內(nèi)往往表明將能從巖層中生產(chǎn)相對(duì)更高質(zhì)量的烴流體。
根據(jù)含烴巖層中烴類的元素氫含量來選擇要處理的含烴巖層。例如，一種處理含烴巖層的方法一般可包括選擇其中所含烴類的元素氫含量大于2％、特別是大于3％、更特別是大于4％(重量)(按干燥的無灰物計(jì)算)的含烴巖層來進(jìn)行處理。優(yōu)選含烴巖層含有氫/碳元素比在從0.5到2、特別是從0.70到1.7范圍的烴類。元素氫含量可顯著影響所生產(chǎn)的烴流體的組成，例如可通過形成分子氫的方式。
因此，若巖層中存在的氫太少，那么對(duì)所生產(chǎn)流體的數(shù)量和質(zhì)量會(huì)有負(fù)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。
巖層中烴類的元素氧重量百分?jǐn)?shù)一般小于20％、特別是小于15％、更特別是小于10％(按干燥的無灰物計(jì)算)。氧/碳元素比一般小于0.15。按此方式，可使含烴物料就地轉(zhuǎn)化過程中所產(chǎn)生的二氧化碳和其他氧化物量減少。氧/碳元素比通常在從0.03到0.12范圍內(nèi)。
加熱含烴巖層的過程通常包括供給位于巖層內(nèi)的熱源以大量能量。含烴巖層可包含水。含烴巖層中存在的水往往會(huì)使加熱含烴巖層所需的能量進(jìn)一步增加，因?yàn)榭赡苄枰罅康哪芰縼碚舭l(fā)巖層中的水。因此，可能需要過量的熱和/或過長的時(shí)間來加熱水含量較高的巖層，。優(yōu)選含烴巖層的水含量小于15％、更優(yōu)選小于10％(重量)。
要進(jìn)行熱解處理的含烴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(dá)100米、或達(dá)1000米、甚或達(dá)2000米或更寬。要進(jìn)行熱解的含烴巖層或其部分的層厚例如可為至少2m、更一般為從4到100m范圍、更典型為從6到60m。含烴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。
含烴巖層可按本專業(yè)已知的方法用置于加熱套管中的一或多個(gè)熱源加熱到足以使巖層中存在的烴類熱解的溫度。
加熱套管可位于緊靠含烴巖層處或優(yōu)選位于含烴巖層內(nèi)。優(yōu)選使用多個(gè)熱源，以使大部分含烴巖層可被加熱，且優(yōu)選使熱源所產(chǎn)生的熱出現(xiàn)疊加(疊合)現(xiàn)象。熱疊加現(xiàn)象能縮短達(dá)到熱解溫度所需的時(shí)間。熱疊加現(xiàn)象能允許在相鄰熱源之間有相對(duì)大的間隔，反過來它能對(duì)含烴巖層提供相對(duì)緩慢的加熱速度。熱疊加現(xiàn)象還將提供均勻加熱，以便控制溫度，在整個(gè)(大部分)含烴巖層中均勻地產(chǎn)生所期望性質(zhì)的流體。
熱源之間的間隔一般在從5m到20m、優(yōu)選從8m到12m范圍。優(yōu)選熱源以基本等距的三角形放置，因?yàn)榕c其他形狀例如六角形相比，它能對(duì)巖層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度，以達(dá)到預(yù)定的溫度。
可使用任何傳統(tǒng)的熱源。優(yōu)選使用適合傳導(dǎo)加熱的熱源，例如任何類型的電加熱器或任何類型的燃燒加熱器。采用射頻加熱方式的熱源不太優(yōu)選。
由于熱巖層中滲透率和/或孔隙率相對(duì)迅速地增加，所產(chǎn)生的蒸汽可通過巖層以相對(duì)很小的壓差流動(dòng)相對(duì)長的距離。由于水的汽化、烴類的移出使受熱部分的質(zhì)量減少和/或由于巖層發(fā)生斷裂，而導(dǎo)致滲透率得以提高。優(yōu)選在靠近巖層的上表面附近，提供一些用于回收烴流體的生產(chǎn)井。含烴巖層內(nèi)所產(chǎn)生的流體可以蒸汽形式穿過含烴巖層移動(dòng)相當(dāng)長的距離。該相當(dāng)長的距離例如可包括50m到1000m。由于巖層受熱部分的可滲透性，蒸汽可以較小的壓降穿過相當(dāng)長的距離。由于這樣的可滲透性，可能每兩個(gè)熱源單元或每三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)、六個(gè)熱源單元只需提供一個(gè)生產(chǎn)井，所述的熱源單元各自可包括多個(gè)加熱套管，例如兩個(gè)、三個(gè)或六個(gè)。生產(chǎn)井可以是有一個(gè)采油篩管或射孔套管的下套管井。此外，生產(chǎn)井可用砂子或礫石圍繞，使進(jìn)入下套管的流體壓降最小化。
此外，可配置水泵井或真空井，以便從含烴巖層中移出液體水。例如，可將多個(gè)水井圍繞被加熱的整個(gè)巖層或其一部分。
所生產(chǎn)的烴流體為一種分子結(jié)構(gòu)中含碳和氫的物質(zhì)。它也可含有其他元素，例如鹵素、金屬元素、氮、氧和硫。
將含烴巖層加熱到可發(fā)生熱解反應(yīng)的溫度。熱解溫度的范圍可包括例如上至900℃的溫度。主要的烴流體可在從250到400℃、更優(yōu)選260到375℃的熱解溫度范圍內(nèi)生產(chǎn)。足以使較低滲透性的含烴巖層中的重質(zhì)烴類熱解的溫度可在從270到300℃范圍內(nèi)。在另外一些實(shí)施方案中，足以使重質(zhì)烴類熱解的溫度在從300到375℃范圍內(nèi)。如果含烴巖層整體被加熱到全部熱解溫度范圍，巖層達(dá)到熱解溫度范圍上限只能生產(chǎn)少量氫，可得氫衰竭后，巖層中存在的烴產(chǎn)量很少。
優(yōu)選將設(shè)計(jì)用來熱解的含烴巖層或其一部分以低加熱速率加熱。通常，加熱速率至多50℃/天。加熱速率一般小于10℃/天、更典型小于3℃/天、特別是小于0.7℃/天。加熱速率常常大于0.01℃/天、特別是大于0.1℃/天。特別是在所述熱解溫度范圍內(nèi)應(yīng)用該低加熱速率。更具體地說，在熱解溫度范圍所需全部時(shí)間的50％以上、優(yōu)選75％以上、或更優(yōu)選90％以上的時(shí)間內(nèi)可以該速率加熱含烴巖層的受熱部分。
含烴巖層的加熱速率可能會(huì)影響從含烴巖層生產(chǎn)的烴流體的數(shù)量和質(zhì)量。例如，以高加熱速率進(jìn)行加熱可以從含烴巖層中生產(chǎn)出更多數(shù)量的流體。但是，此方法的產(chǎn)品質(zhì)量明顯低于采用低加熱速率得到的產(chǎn)品。并且，控制加熱速率小于3℃/天通常能對(duì)含烴巖層內(nèi)的溫度提供更好的控制。
本發(fā)明有關(guān)加熱速率的內(nèi)容是適用的，與本發(fā)明的溫度/壓力控制的應(yīng)用無關(guān)。
將含烴巖層加熱到熱解溫度的步驟可能發(fā)生在含烴巖層內(nèi)已產(chǎn)生較大滲透性之前。初始時(shí)缺乏滲透性可能會(huì)阻止從熱解段產(chǎn)生的流體在巖層內(nèi)傳輸。按此方式，隨著熱量開始從熱源傳遞到含烴巖層，靠近熱源的含烴巖層內(nèi)的流體壓力可能會(huì)升高。
當(dāng)巖層中還沒有流向生產(chǎn)井的通道或任何其他降壓手段時(shí)，因烴流體或由巖層中產(chǎn)生的其他流體的膨脹所形成的壓力開始升高。此外，流體的壓力可能會(huì)超過巖石靜壓，以致含烴巖層內(nèi)可從熱源到生產(chǎn)井間形成裂縫。由于通過生產(chǎn)井來進(jìn)行烴流體的生產(chǎn)，那么受熱部分內(nèi)所產(chǎn)生的裂縫將使壓力下降。
為在烴流體的生產(chǎn)過程中維持含烴巖層內(nèi)的壓力，可在生產(chǎn)井處維持一個(gè)背壓。該壓力可通過閥門和/或?qū)怏w注入含烴巖層的手段進(jìn)行控制，例如注入氫氣、二氧化碳、一氧化碳、氮?dú)饣蚣淄?、或水或水蒸汽。特別優(yōu)選注入氫氣。
可配置閥門來維持、改變和/或控制含烴巖層內(nèi)的壓力。例如，置于含烴巖層內(nèi)的熱源可連接到一個(gè)閥上。使閥門配置成能通過熱源從巖層中釋放出流體以及用于將氣體注入含烴巖層?；蛘?，可將壓力閥與生產(chǎn)井連接。收集經(jīng)閥門釋放的流體并輸送到地表單元，用于進(jìn)一步加工和/或處理。
根據(jù)本發(fā)明，在熱解過程中和在從巖層生產(chǎn)烴類流體的過程中，控制壓力和溫度，以便控制與烴類流體的數(shù)量、組成和質(zhì)量有關(guān)的某些性質(zhì)。方程式1中的參數(shù)A和B可通過實(shí)驗(yàn)來確定。通常，參數(shù)A的數(shù)值可為14000-60000中任一數(shù)值，而參數(shù)B的數(shù)值可在25-90中任一數(shù)值。下文給出一些例子。
為了生產(chǎn)碳數(shù)為25或更高烴類含量較低的，例如碳數(shù)為25或更高烴類含量低于25％(重量)的烴流體，優(yōu)選壓力至少為可根據(jù)所述的溫度由方程式1計(jì)算的壓力，或溫度至少為可根據(jù)所選的壓力由方程式1計(jì)算的溫度，其中A等于14206和B等于25.123，更優(yōu)選A等于15972和B等于28.442，特別是A等于17912和B等于31.804，更特別是A等于19929和B等于35.349，最特別是A等于21956和B等于38.849時(shí)計(jì)算的壓力值。在實(shí)踐中，這樣的壓力和溫度常常對(duì)操作是足夠的，所述的壓力至多為可根據(jù)所選的溫度由方程式1計(jì)算的壓力，或所述的溫度至少為可根據(jù)所的壓力由方程式1計(jì)算的溫度，其中A等于24146和B等于43.349。
為了生產(chǎn)高API重度例如至少30°的可凝烴類的烴類流體，優(yōu)選壓力至少為可根據(jù)所選的溫度由方程式1計(jì)算的壓力或溫度至多為可根據(jù)所選的壓力由方程式1計(jì)算的溫度，其中A等于30864和B等于50.676，更優(yōu)選A等于21719和B等于37.821，特別是A等于16895和B等于31.170。在實(shí)踐中，這樣的壓力和溫度常?？勺阋圆僮鳎灾滤龅膲毫χ炼酁榭筛鶕?jù)所選的溫度由方程式1計(jì)算的壓力，或溫度至少為可根據(jù)所選的壓力由方程式1計(jì)算的溫度，其中A等于16947和B等于33.603。正如這里使用的，“可凝的烴類”為在1巴下沸點(diǎn)至少為25℃的烴類。
為了生產(chǎn)低乙烯/乙烷比例如至多0.1的烴類流體，優(yōu)選使用至少為可根據(jù)所選的溫度由方程式1計(jì)算的壓力或至多為可根據(jù)所選的壓力由方程式1計(jì)算的溫度，其中A等于57379和B等于83.145，更優(yōu)選A等于16056和B等于27.652，特別是A等于11736和B等于21.986。在實(shí)踐中，這樣的壓力和溫度常常足以操作，以致所述的壓力至多為可根據(jù)所選的溫度由方程式1計(jì)算的壓力或溫度至少為可根據(jù)所選的壓力由方程式1計(jì)算的溫度，其中A等于5492.8和B等于14.234。
為了生產(chǎn)高氫/碳元素比例如至少1.7的可凝烴類的烴類流體，優(yōu)選壓力至少為可根據(jù)所選的溫度由方程式1計(jì)算的壓力或溫度至多為可根據(jù)所選的壓力由方程式1計(jì)算的溫度，其中A等于38360和B等于60.531，更優(yōu)選A等于12635和B等于23.989、特別優(yōu)選A等于7953.1和B等于17.889。在實(shí)踐中，這樣的壓力和溫度是足夠的，以致壓力至多為可根據(jù)所選的溫度由方程式1計(jì)算的壓力，或溫度至少為可根據(jù)所選的壓力由方程式1計(jì)算的溫度，其中A等于6613.1和B等于16.364。
可從含烴巖層生產(chǎn)的烴類流體潛在總量可由Fischer Assay確定。Fischer Assay是一種標(biāo)準(zhǔn)方法，它包括將含烴物質(zhì)的樣品加熱到約500℃，收集由受熱樣品生產(chǎn)的產(chǎn)品以及定量分極該產(chǎn)品。為了從含烴巖層生產(chǎn)大量的烴類流體，例如用Fischer Assay表示的至少60％的數(shù)值，優(yōu)選壓力至多為可根據(jù)所選的溫度由方程式1計(jì)算的壓力或溫度至少為可根據(jù)所選的壓力由方程式1計(jì)算的溫度，其中A等于11118和B等于23.156，更優(yōu)選A等于13726和B等于26.635，特別優(yōu)選A等于20543和B等于36.191。在實(shí)踐中，這樣的壓力和溫度是足夠的，以致壓力至少為可根據(jù)所選的溫度由方程式1計(jì)算的壓力或溫度至多為可根據(jù)所選的壓力由方程式1計(jì)算的溫度，其中A等于28554和B等于47.084。
在一些情況下，這樣控制壓力和溫度是最有利的，以致它們屬于這樣的A和B數(shù)值，這些數(shù)值表示如上文所述的相對(duì)低的優(yōu)選范圍的條件。例如，當(dāng)希望產(chǎn)品的數(shù)量、組成和質(zhì)量的某種組合時(shí)，情況就這樣。因此，上面的公開內(nèi)容還包括所有可由A和B的組合確定的子范圍。特別是，在烴類流體的生產(chǎn)過程中，保持相關(guān)性質(zhì)基本上不變可能是有利的，它可能通過在參數(shù)A和B的恒定的數(shù)值下操作來達(dá)到。在熱解過程中和在從巖層生產(chǎn)烴類流體的過程中，壓力可在寬范圍內(nèi)選擇。通常，使用至少1.5巴的壓力，更通常至少1.6巴、特別是至少1.8巴。常常，當(dāng)熱解溫度為至少300℃時(shí)，可使用至少1.6巴的壓力，而當(dāng)溫度低于300℃時(shí)，可使用至少1.8巴的壓力。壓力的上限可由覆蓋層的結(jié)構(gòu)和重量來確定。常常在實(shí)踐條件下，壓力小于70巴，更常常小于60巴，或甚至小于50巴。最好將壓力控制在2-18巴或2-20巴或另一方面控制在20-36巴。
在一優(yōu)選的實(shí)施方案中，維持一定的氫分壓。通常，氫分壓為至少0.2巴且至少0.4巴和一直到35巴甚或50巴，更通常1-10巴，特別是5-7巴。在巖層中維持一定的氫分壓特別使生產(chǎn)的烴類流體的API重度增加和長鏈烴類流體的產(chǎn)量減少。
有關(guān)氫分壓的公開內(nèi)容是適用的，與本發(fā)明的溫度/壓力控制無關(guān)。
經(jīng)熱解處理的含烴巖層或其一部分中初始有機(jī)碳總含量的至少20％、一般至少25％、優(yōu)選至少35％可轉(zhuǎn)變成烴流體。在實(shí)際操作中，通常經(jīng)熱解處理的含烴巖層或其一部分中初始有機(jī)碳總含量的至多90％可轉(zhuǎn)變成烴流體，更典型為至多80％，或至多70％或至多60％。
在某些實(shí)施方案中，熱解之后，可由殘留在含烴巖層內(nèi)的烴類生產(chǎn)合成氣。熱解過程可在整個(gè)含烴巖層或已熱解部分中產(chǎn)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(chǎn)出大量烴流體的情況下產(chǎn)生合成氣。所述已熱解部分還具有大的表面積和/或大的表面積/體積。產(chǎn)生合成氣的過程中大表面積能使合成氣產(chǎn)出反應(yīng)基本上處在平衡條件下。與未經(jīng)熱解處理的含烴巖層中產(chǎn)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。本發(fā)明有關(guān)加熱速率的內(nèi)容是適用的，與本發(fā)明的溫度/壓力控制的應(yīng)用無關(guān)。
在一些具體實(shí)施方案中，至少一些含烴物質(zhì)的熱解過程將可利用的初始碳的20％轉(zhuǎn)化。合成氣生產(chǎn)過程將至少另外10％且一般達(dá)另外70％的可利用初始碳轉(zhuǎn)化。按此方式，從含烴巖層就地生產(chǎn)合成氣的方法可使該部分中更多數(shù)量的可利用初始碳轉(zhuǎn)化。
可在從巖層生產(chǎn)烴流體的過程之前或之后從巖層中生產(chǎn)合成氣。合成氣，盡管通常定義為氫(H2)和一氧化碳(CO)的混合物，但它還可含有另外的組分，例如水、二氧化碳(CO2)、甲烷和其他氣體。
合成氣產(chǎn)生過程可在烴流體產(chǎn)量下降到不經(jīng)濟(jì)的水平之前和/或之后進(jìn)行。按此方式，供給熱解反應(yīng)的熱量也可用來生產(chǎn)合成氣。例如，若熱解后一部分巖層為375℃，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(chǎn)的溫度。在某些情況下，可由一或多個(gè)熱源提供熱量，將巖層加熱到足以進(jìn)行合成氣生產(chǎn)的溫度(例如從400到1200℃范圍或更高)。在該溫度范圍的上限，生產(chǎn)的合成氣主要包括例如摩爾比為1∶1的H2和CO。在該溫度范圍的下限，所生產(chǎn)合成氣可能有較高的H2/CO比。
巖層中用于熱解過程和從巖層生產(chǎn)烴流體過程的熱井、熱源和生產(chǎn)井可在合成氣生產(chǎn)過程中用作引入生產(chǎn)合成氣所用流體的注入井、生產(chǎn)井或用作加熱巖層的熱源。合成氣生產(chǎn)過程所用熱源可包括上述任何一種熱源。
或者，加熱步驟可包括由巖層中的多個(gè)井身內(nèi)流動(dòng)的傳熱流體例如水蒸汽或燃燒器的燃燒產(chǎn)物所傳遞的熱量。
可將生產(chǎn)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(chǎn)合成氣所用流體混合物可包含水蒸汽和氧氣。生產(chǎn)合成氣所用流體可包括熱解另一部分巖層內(nèi)含烴物質(zhì)所生成的含水流體。提供生產(chǎn)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(chǎn)合成氣所用流體也可通過一個(gè)注入井提供。生產(chǎn)合成氣所用流體通常將與巖層中的碳反應(yīng)形成H2、水(液體水或水蒸汽)、CO2和/或CO。
可將CO2從合成氣中分離出來，并可與生產(chǎn)合成氣所用流體一起再注入巖層。通過主要化學(xué)平衡反應(yīng)的移動(dòng)，加入生產(chǎn)合成氣所用流體中的二氧化碳可在合成氣生產(chǎn)過程中基本上抑制二氧化碳的進(jìn)一步生成。二氧化碳也可與巖層中碳反應(yīng)生成一氧化碳。
可將烴類例如乙烷加入生產(chǎn)合成氣所用流體中。當(dāng)將烴類引入巖層時(shí)，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它的熱值。
產(chǎn)生合成氣的反應(yīng)通常為吸熱反應(yīng)。合成氣生產(chǎn)過程中可對(duì)巖層加熱，以使巖層的溫度保持在所期望的水平。可由熱源和/或由引入的溫度高于巖層的生產(chǎn)合成氣所用流體進(jìn)行加熱。或者，在生產(chǎn)合成氣所用流體中加入氧化劑，例如空氣、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(yīng)產(chǎn)生熱量，并生成CO2和/或CO。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，將氧氣和水(或水蒸汽)例如按1∶2至1∶10、優(yōu)選1∶3至1∶7、如1∶4的摩爾比提供給巖層。
合成氣生產(chǎn)過程中，可將含烴巖層維持在較高的壓力下?？稍趯挼膲毫Ψ秶鷥?nèi)生產(chǎn)合成氣，例如是1到100巴之間、更通常2到80巴之間、特別是5到60巴之間的壓力。高操作壓力可得到高H2產(chǎn)量。高操作壓力能借助將所生產(chǎn)的合成氣通過汽輪機(jī)的方法來發(fā)電，且允許用較小的收集導(dǎo)管來輸送所生產(chǎn)的合成氣。
可在寬的溫度范圍內(nèi)生產(chǎn)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(chǎn)溫度下，可生產(chǎn)有高H2/CO比的合成氣。較高的巖層溫度可生產(chǎn)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(chǎn)H2/CO比為2的合成氣。一般來說，可生產(chǎn)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(shí)施方案可包括將第一合成氣與第二合成氣混合來生產(chǎn)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(chǎn)。
可將已經(jīng)熱解過程和任選經(jīng)合成氣生產(chǎn)過程處理的含烴巖層或其部分進(jìn)行冷卻或是冷卻成一個(gè)冷的廢巖層。
烴流體和/或合成氣生產(chǎn)過程后，可將流體(例如二氧化碳)隔絕在巖層內(nèi)。為在巖層內(nèi)貯存大量流體，巖層的溫度常常需要低于100℃，例如降到20℃?？蓪⑺腿霂r層以產(chǎn)生水蒸汽并降低巖層的溫度。水蒸汽可從巖層中移出。水蒸汽可有多種用途，例如用來加熱巖層的另一部分、用來在巖層相鄰部分中生產(chǎn)合成氣或在儲(chǔ)油層中用作蒸汽驅(qū)。巖層被冷卻后，可將流體加壓并隔絕在巖層中。將流體隔絕在巖層中可大大減少或消除因本就地處理法的操作所釋放至環(huán)境的流體。廢巖層特別適用于這一目的，因?yàn)樗哂写蟮目紫抖群蛯?duì)流體特別是氣體高滲透性的結(jié)構(gòu)。
將要隔絕的流體以例如5-50巴范圍的壓力注入冷廢巖層并吸附到巖層的含烴物質(zhì)上。隨后加入巖層的水可阻止二氧化碳的脫附。US-A-5566756中例示說明了隔絕二氧化碳方法的實(shí)例。
本文所述的合成氣可轉(zhuǎn)化成烴類(包括甲烷)或其他產(chǎn)物(例如氨)。例如，可與費(fèi)托烴類合成過程配套將合成氣轉(zhuǎn)化成烷烴。合成氣也可用于催化甲烷化過程來生產(chǎn)甲烷。或者，合成氣可用來生產(chǎn)甲醇、汽油和柴油、氨和中間餾分油。
合成氣也可用作能源。例如，它可用作燃燒燃料來加熱含烴巖層或制造水蒸汽，然后推動(dòng)渦輪發(fā)電。合成氣可通過減小合成氣在氣輪機(jī)中的壓力或利用合成氣的溫度來制造水蒸汽然后推動(dòng)氣輪機(jī)的方法用來發(fā)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(chǎn)能單元。
用作費(fèi)-托合成反應(yīng)進(jìn)料氣的合成氣的H2/CO摩爾比一般約為2∶1。費(fèi)-托合成法一般是生產(chǎn)支化和直鏈烷烴，它們可通過加氫裂化轉(zhuǎn)化成例如包括柴油、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料和石腦油在內(nèi)的烴產(chǎn)品。US-A-4096163、US-A-4594468、US-A-6085512和US-A-6172124中例示說明了合成氣在費(fèi)-托合成過程中轉(zhuǎn)化成烴類的方法的實(shí)例。
所生成的用作催化甲烷化過程進(jìn)料氣的合成氣的組成最好是H2/CO摩爾比為3∶1至4∶1。US-A-3992148、US-A-4130575和US-A-4133825中例示說明了催化甲烷化法的實(shí)例。
US-A-4407973、US-A-4927857和US-A-4994093中例示說明了由合成氣生產(chǎn)甲醇的方法的實(shí)例。
US-A-4076761、US-A-4138442和US-A-4605680中例示說明了生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的方法的實(shí)例。
以下的實(shí)施例例示說明本發(fā)明。
實(shí)施例1將美國科羅拉多州的格林河油頁巖沉積物的各種樣品在不同的溫度和壓力下熱解，以確定熱解溫度和壓力對(duì)所生成烴流體的質(zhì)量和數(shù)量的影響。
配置一個(gè)不銹鋼壓力容器用來裝油頁巖樣品。容器和連接所述容器的流出管繞有電加熱帶，以便給整個(gè)容器和出油管提供基本均勻的加熱。流出管包括一個(gè)用于升壓試驗(yàn)的背壓閥。產(chǎn)物通過該閥門后，常壓下在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室玻璃冷凝器中冷卻并進(jìn)行分析。
在325℃熱解溫度下得到的試驗(yàn)結(jié)果以下。在約0.5巴氫分壓下，生產(chǎn)的可凝烴類的API重度為約41°，而在約1.4巴氫分壓力，其API重度為約47°。在約0.5巴氫分壓力，乙烯/乙烷比為約0.037，而在約1.4巴氫分壓下，這一數(shù)值為約0.011。在約0.5巴氫分壓下，可凝烴類的H/C比為約1.79，而在約1.4巴氫分壓下，這一數(shù)值為約1.91。在350℃的熱解溫度下，得到以下的結(jié)果。在約0.5巴氫分壓下，生產(chǎn)的可凝烴類的API重度為約31°，而在約2.3巴氫分壓下，這一數(shù)值為約42°。在約0.5巴氫分壓下，乙烯/乙烷比為約0.081，而在約2.3巴氫分壓下，這一數(shù)值為約0.007。在約0.5巴氫分壓下，可凝烴類的H/C比為約1.76，而在約2.3巴氫分下，這一數(shù)值為約1.97。因此，通過提高氫分壓，API重度增加，乙烯/乙烷比下降和H/C比增加。試驗(yàn)數(shù)據(jù)還用于通過方程式1和參數(shù)A和B來確定產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率的壓力/溫度關(guān)系。結(jié)果表明，通過提高流體總壓，碳數(shù)為25或更大的烴類含量下降，API重量增加、乙烯/乙烷比下降，H/C比增加以及相對(duì)于Fischer Assay的烴類產(chǎn)率下降。
權(quán)利要求
1.一種就地處理含烴巖層的方法，所述的方法包括在至少0.1巴和至多50巴的氫分壓下熱解巖層中存在的烴類。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中含烴巖層含有油母質(zhì)，例如煤或油頁巖或重質(zhì)烴類例如油砂。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中使用適用于通過傳導(dǎo)加熱巖層的熱源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的方法，其中通過在250-400℃、特別是260-375℃的溫度下加熱使巖層中存在的烴類熱解。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的方法，其中氫分壓為1-10巴、更優(yōu)選5-7巴。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的方法，其中應(yīng)用壓力/溫度控制，所述的壓力至少為可根據(jù)所選的溫度由以下方程式計(jì)算的壓力，或所述的溫度至多為可根據(jù)所選的壓力由以下方程式計(jì)算的溫度P=0.07*e-AT+273+B]]>式中P為壓力(巴，絕對(duì))，T為溫度(℃)，A和B為預(yù)定參數(shù)，它們與在所選的氫分壓力在氫存在下生產(chǎn)的烴類流體的數(shù)量、組成或質(zhì)量有關(guān)的性質(zhì)有關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中A等于14206和B等于25.123。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中壓力至多為可根據(jù)所選的溫度由所述的方程式計(jì)算的壓力，或溫度至少為根據(jù)所選的壓力由所述的方程式計(jì)算的溫度，其中A等于24146和B等于43.349。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中A于30864和B等于50.676。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中壓力至多為可根據(jù)所選的溫度由所述的方程式計(jì)算的壓力，或溫度至少為根據(jù)所選的壓力由所述的方程式計(jì)算的溫度，其中A等于16947和B等于33.603。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中A等于57379和B等于83.145。
12.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中壓力至多為可根據(jù)所選的溫度由所述的方程式計(jì)算的壓力，或溫度至少為根據(jù)所選的壓力由所述的方程式計(jì)算的溫度，其中A等于5492.8和B等于14.234。
13.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中A等于38360和B等于60.531。
14.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中壓力至多為可根據(jù)所選的溫度由所述的方程式計(jì)算的壓力，或溫度至少為根據(jù)所選的壓力由所述的方程式計(jì)算的溫度，其中A等于6613.1和B等于16.364。
15.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中A等于28554和B等于47.084。
16.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中壓力至多為可根據(jù)所選的溫度由所述的方程式計(jì)算的壓力，或溫度至少為根據(jù)所選的壓力由所述的方程式計(jì)算的溫度，其中A等于11118和B等于23.156。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)的方法，其中還包括隨后至少部分經(jīng)處理的含烴巖層與合成氣生成用流體反應(yīng)的步驟。
18.一種生產(chǎn)烴類的方法，所述的方法包括提供按權(quán)利要求17生產(chǎn)的合成氣以及將合成氣轉(zhuǎn)化成烴類。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中用費(fèi)-托烴類合成法將合成氣轉(zhuǎn)化成烷烴，然后將烷烴在加氫裂化反應(yīng)器中進(jìn)行轉(zhuǎn)化。
20.一種生產(chǎn)能源的方法，所述的方法包括提供按權(quán)利要求17生產(chǎn)的合成氣并將合成氣膨脹和/或燃燒或?qū)⒑铣蓺庥糜谌剂想姵亍?br> 全文摘要
公開了一種就地處理含烴巖層和從所述的含烴巖層生產(chǎn)烴類流體的方法，所述的方法包括在至少1巴和至多50巴的氫分壓下使巖層中存在的烴類熱解，從而生成高API重度、低碳數(shù)和低烯烴及多環(huán)芳烴化合物含量的烴類。
文檔編號(hào)E21B41/00GK1430697SQ01809949
公開日2003年7月16日 申請(qǐng)日期2001年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月24日
發(fā)明者I·E·伯肯克, J·M·卡拉尼卡斯, E·德魯菲格納克, G·L·斯特戈美爾, H·J·萬嘉, S·L·威靈頓 申請(qǐng)人:國際殼牌研究有限公司