DE60105583T2 - Verfahren zur behandlug von erdöllagerstätten - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Produktion von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid und/oder Wasserstoff aus verschiedenen Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formationen.
- Kohlenwasserstoffe enthaltende Materialien, die aus unterirdischen Formationen gewonnen werden, werden oft als Energieressourcen, als Einsatzstoffe und als Produkte für Endverbraucher verwendet. Bedenken hinsichtlich der Erschöpfung vorhandener Kohlenwasserstoffressourcen haben zur Entwicklung von Verfahren zur effizienteren Gewinnung, Verarbeitung und/oder Verwendung vorhandener Kohlenwasserstoffressourcen geführt. In situ-Verfahren können verwendet werden, um Kohlenwasserstoffmaterialien aus unterirdischen Formationen zu entfernen. Chemische und/oder physikalische Eigenschaften von Kohlenwasserstoffmaterial in einer unterirdischen Formation müssen unter Umständen verändert werden, um Kohlenwasserstoffmaterial einfacher aus der unterirdischen Formation entfernen zu können. Die chemischen und physikalischen Veränderungen können in situ-Reaktionen umfassen, die entfernbare Fluide, Löslichkeitsänderungen, Phasenänderungen und/oder Viskositätsänderungen des Kohlenwasserstoffmaterials in der Formation hervorrufen. Ein Fluid kann, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Gas, eine Flüssigkeit, eine Emulsion, eine Aufschlämmung und/oder ein Strom von festen Teilchen mit Strömungseigenschaften ähnlich einem Flüssigkeitsstrom sein.
- Die Anwendung von Wärme auf Ölschieferformationen wird in der US-A-2 923 535 und der US-A-4 886 118 beschrieben. Darin wird Wärme auf die Ölschieferformation angewandt, um Kerogen innerhalb der Ölschieferformation zu pyrolysieren. Die Wärme kann auch die Formation aufbrechen, um die Permeabilität der Formation zu erhöhen. Die erhöhte Permeabilität kann es erlauben, daß Formationsfluid zu einer Produktionsbohrung strömt, wo das Fluid aus der Ölschieferformation entfernt wird. Im Verfahren der US-A-2 923 535 wird ein sauerstoffhältiges gasförmiges Medium in eine durchlässige Schicht eingeführt, vorzugsweise während diese von einem Vorerhitzungsschritt noch heiß ist, um eine Verbrennung zu initiieren, um mehr Kohlenwasserstoffdämpfe und flüssige Produkte zu produzieren. US-A-4 344 483 beschreibt das Verfahren gemäß der Präambel von Anspruch 1.
- Ein Teil des anfänglich vorhandenen organischen Gesamtkohlenstoffgehalts der Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation oder des Abschnitts hievon, welcher einer Pyrolyse unterworfen wird, kann in Kohlenwasserstofffluide übergeführt werden. Es ist evident, daß nach der Pyrolyse des Kerogens heißes kohlenstoffhältiges Material in der Formation verbleibt. Es wurde nun gefunden, daß derartige erhitzte Formationen zur Produktion von Synthesegas verwendet werden können.
- Die vorliegende Erfindung stellt demgemäß ein Verfahren zur Produktion von Synthesegas aus einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden unterirdischen Formation bereit, umfassend:
Zuführen von Wärme zu wenigstens einem Abschnitt der unterirdischen Formation in solcher Weise, daß wenigstens ein Teil des erhitzten Abschnittes die Pyrolysetemperatur von Kerogen erreicht, unter Ausbildung von Pyrolyseprodukten;
Gewinnen von Pyrolyseprodukten aus der unterirdischen Formation;
Injizieren einer Synthesegas generierenden Komponente in den erhitzten Teil der Formation, was zur Produktion von Synthesegas durch Reaktion der Synthesegas generierenden Komponente mit kohlenstoffhältigem Material, welches in der Formation verblieben ist, führt und
Gewinnen von Synthesegas. - Synthesegas wird allgemein als ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid definiert; es kann jedoch auch zusätzliche Komponenten wie Wasser, Kohlendioxid, Methan und andere Gase umfassen. Das Synthesegas wird aus Kohlenwasserstoffen, welche innerhalb der Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation verbleiben, produziert. Die Pyrolyse neigt dazu, eine relativ hohe, im wesentlichen gleichförmige Permeabilität überall in der Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation oder dem pyrolysierten Abschnitt hievon zu liefern. Solch eine relativ hohe, im wesentlichen gleichförmige Permeabilität erlaubt die Bildung von Synthesegas mit niedrigeren Injektionskosten und mit minimalem Abtasten oder Umgehen beträchtlicher Abschnitte der Formation. Der Abschnitt weist auch einen großen Oberflächenbereich und/oder einen großen Oberflächenbereich/Volumen auf. Der große Oberflächenbereich kann zulassen, daß Synthesegas generierende Reaktionen im wesentlichen bei Gleichgewichtsbedingungen während der Erzeugung von Synthesegas erfolgen. Im Vergleich mit einer Erzeugung von Synthesegas in einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation, die keiner Pyrolyse unterzogen wurde, kann die relativ hohe, im wesentlichen gleichförmige Permeabilität zu einer relativ hohen Gewinnungseffizienz an Synthesegas führen.
- Eine Formation kann auf eine Temperatur von mehr als 400°C erhitzt werden, bevor ein Synthesegas generierendes Fluid mit der Formation in Kontakt gebracht wird. Das Inkontaktbringen eines Synthesegas generierendes Fluides wie Wasser und/oder Kohlendioxid mit Kohlenstoff und/oder Wasserstoffmaterial innerhalb der Formation führt zur Bildung von Synthesegas, wenn die Temperatur des kohlenstoffhältigen Materials ausreichend hoch ist. Die Synthesegaserzeugung ist im allgemeinen ein endothermer Prozeß. Zusätzliche Wärme kann in geeigneter Weise der Formation während der Synthesegaserzeugung zugeführt werden, um eine hohe Temperatur innerhalb der Formation aufrechtzuerhalten. Die Wärme kann von Heizbohrungen und/oder durch Oxidieren von Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoffen inner halb der Formation zugeführt werden. Das erzeugte Synthesegas kann aus der Formation durch eine oder mehrere Produktionsbohrungen gewonnen werden.
- Die Synthesegaserzeugung kann begonnen werden, bevor und/oder nachdem die Pyrolyseproduktproduktion auf ein unwirtschaftliches Niveau abgesunken ist. Auf diese Weise kann Wärme, die für die Pyrolyse bereitgestellt wird, auch verwendet werden, um Synthesegas zu erzeugen. Wenn z. B. ein Abschnitt der Formation nach der Pyrolyse 270°C bis 375°C aufweist, so ist im allgemeinen weniger zusätzliche Wärme erforderlich, um einen solchen Abschnitt auf eine Temperatur zu erhitzen, die ausreichend ist, um eine Synthesegaserzeugung zu unterstützen.
- Die Pyrolyse von wenigstens etwas Kohlenwasserstoffe enthaltendem Material kann bei einigen Ausführungsformen etwa 20% des ursprünglich verfügbaren Kohlenstoffes umwandeln. Die Synthesegaserzeugung kann ungefähr bis zu zusätzliche 70% des anfänglich verfügbaren Kohlenstoffes im Abschnitt umwandeln. Auf diese Weise kann die in situ-Synthesegaserzeugung aus einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation die Umwandlung größerer Mengen an anfänglich in dem Abschnitt verfügbarem Kohlenstoff erlauben.
- Bestimmte Ausführungsformen umfassen das Bereitstellen von Wärme durch eine oder mehrere Heizquellen, um ein Erhitzen auf eine zur Synthesegaserzeugung ausreichende Temperatur zu ermöglichen. Eine Temperatur von wenigstens einem Abschnitt einer Formation, welcher zur Erzeugung von Synthesegas verwendet wird, wird geeigneterweise auf eine Synthesegaserzeugungstemperatur erhöht (z. B. von 400°C bis 1.200°C). Die Zusammensetzung des produzierten Synthesegases kann durch die Formationstemperatur und auch durch die Temperatur der den Synthesegasproduktionsbohrungen benachbarten Formation beeinflußt werden. Eine verhältnismäßig niedrige Synthesegaserzeugungstemperatur liefert ein Synthesegas mit einem hohen H2-zu-CO-Verhältnis, aber das produzierte Synthesegas kann auch einen hohen Anteil an anderen Gasen wie Wasser und CO2 enthalten. Eine relativ hohe Formationstemperatur liefert ein Synthesegas mit einem H2-zu-CO-Verhältnis, welches sich 1 annähert, sodaß der Strom überwiegend und in einigen Fällen im wesentlichen nur H2 und CO enthalten kann. Bei einer Formationstemperatur von etwa 620°C kann die Formation ein Synthesegas mit einem H2-zu-CO-Verhältnis von 2 produzieren.
- Heizquellen für die Synthesegaserzeugung können jede beliebige der hierin vorstehend beschriebenen Heizquellen umfassen. Alternativ kann das Erhitzen umfassen, daß Wärme von einem Wärmeübertragungsfluid, z. B. Wasserdampf oder Verbrennungsprodukten aus einem Brenner, übertragen wird, das innerhalb einer Vielzahl von Bohrungen innerhalb der Formation strömt. Heizquellen und/oder Produktionsbohrungen innerhalb einer Formation zum Pyrolysieren und Produzieren von Pyrolysefluiden aus der Formation können während der Synthesegasproduktion für verschiedene Zwecke verwendet werden. Eine Bohrung, welche als eine Heizquelle oder eine Produktionsbohrung während der Pyrolyse verwendet wurde, kann als Injektionsbohrung verwendet werden, um Synthesegas erzeugendes Fluid in die Formation einzubringen. Eine Bohrung, welche als eine Heizquelle oder eine Produktionsbohrung während der Pyrolyse verwendet wurde, kann als Produktionsbohrung während der Synthesegaserzeugung verwendet werden. Eine Bohrung, welche als eine Heizquelle oder eine Produktionsbohrung während der Pyrolyse verwendet wurde, kann als Heizquelle verwendet werden, um die Formation während der Synthesegaserzeugung zu erhitzen. Die Synthesegasproduktionsbohrungen können voneinander weiter entfernt sein als die Pyrolyseproduktionsbohrungen, aufgrund der verhältnismäßig hohen, im wesentlichen gleichförmigen Permeabilität der Formation. Synthesegasproduktionsbohrungen werden in geeigneter Weise auf relativ hohe Temperaturen erhitzt, sodaß ein Abschnitt der Formation, welcher der Produktion benachbart ist, bei einer Temperatur vorliegt, welche eine gewünschte Synthesegaszusammensetzung produzieren wird. Im Vergleich dazu können die Pyrolyseflu idproduktionsbohrungen überhaupt nicht erhitzt werden oder sie können nur auf eine Temperatur erhitzt werden, welche die Kondensation von Pyrolysefluid innerhalb der Produktionsbohrung verhindern wird. Der Abstand zwischen den Heizquellen kann typischerweise im Bereich von 5 m bis 20 m, vorzugsweise von 8 bis 15 m betragen.
- Ein Synthesegas generierendes Fluid z. B. flüssiges Wasser, Dampf, Kohlendioxid, Luft, Sauerstoff und Kohlenwasserstoffe und Gemische hievon, kann für die Formation bereitgestellt werden. Beispielsweise kann das Synthesegas generierende Fluidgemisch Dampf und Sauerstoff umfassen. In einer Ausführungsform kann ein Synthesegas generierendes Fluid Wasser umfassen, welches durch Pyrolyse von wenigstens etwas kohlenwasserstoffhältigem Material innerhalb eines oder mehrerer anderer Abschnitte der Formation produziert wird. Das Bereitstellen des Synthesegas generierenden Fluids kann in alternativer Weise das Erhöhen eines Wasserniveaus der Formation umfassen, um zu erlauben, daß Wasser in diese fließt. Das Synthesegas generierende Fluid kann auch durch wenigstens eine Injektionsbohrung bereitgestellt werden. Das Synthesegas generierende Fluid wird im allgemeinen mit Kohlenstoff in der Formation reagieren, um H2, Wasser, CO2 und/oder CO auszubilden. Ein Anteil des Kohlendioxids neigt dazu, mit Kohlenstoff in der Formation zu reagieren, um Kohlenmonoxid zu ergeben. Kohlenwasserstoffe, wie C2-C6-Alkane, z. B. Ethan, können zu einem Synthesegas generierenden Gemisch zugesetzt werden. Wenn sie in die Formation eingebracht werden, können die Kohlenwasserstoffe cracken, um Wasserstoff und/oder Methan auszubilden. Das Vorhandensein von Methan in produziertem Synthesegas erhöht den Heizwert des produzierten Synthesegases.
- Synthesegas generierende Reaktionen sind typischerweise endotherme Reaktionen. In einer Ausführungsform wird dem Synthesegas generierenden Fluid ein Oxidationsmittel zugesetzt. Das Oxidationsmittel umfaßt, ohne darauf beschränkt zu sein, Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft, Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, andere oxidierende Fluide oder Kombinationen hievon. In einer Ausführungsform ist es wünschenswert, eher Sauerstoff als Luft als oxidierendes Fluid in der kontinuierlichen Produktion zu verwenden. Wenn Luft verwendet wird, könnte ein Nachteil darin bestehen, daß Stickstoff aus dem Synthesegas abgetrennt werden muß. Die Verwendung von Sauerstoff als oxidierendes Fluid kann die Produktionskosten infolge der Kosten für den Erhalt von im wesentlichen reinerem Sauerstoff erhöhen. Das aus einer Luftauftrennungsanlage, welche zur Produktion des erforderlichen Sauerstoffs verwendet wird, erhaltene Stickstoffnebenprodukt kann jedoch in einem Wärmetauscher verwendet werden, um Kohlenwasserstoffe aus einem heißen Dampfstrom zu kondensieren, welcher während der Pyrolyse von Kohlenwasserstoffe enthaltendem Material produziert wird. Weiterhin ist das Oxidationsmittel vorzugsweise Luft. Das Oxidationsmittel kann mit Kohlenstoff innerhalb der Formation reagieren, um exotherm Wärme zu erzeugen. Die Reaktion eines Oxidationsmittels mit Kohlenstoff in der Formation kann zur Bildung von CO2 und/oder CO führen. Die Einbringung eines Oxidationsmittels zur Reaktion mit Kohlenstoff in der Formation kann es ökonomisch erlauben, die Formationstemperatur ausreichend zu erhöhen, um zur Bildung von signifikanten Mengen an H2 und CO aus Kohlenstoff innerhalb der Formation zu führen.
- Die Synthesegasbildung kann über einen Chargenprozeß oder einen kontinuierlichen Prozeß, wie hierin ferner beschrieben, verlaufen. Synthesegas kann aus einer oder mehreren Produktionsbohrungen erhalten werden, die eine oder mehrere Heizquellen umfassen. Derartige Heizquellen können betrieben werden, um die Produktion des Synthesegases mit einer gewünschten Zusammensetzung zu fördern.
- Bestimmte Ausführungsformen umfassen das Überwachen einer Zusammensetzung des produzierten Synthesegases, und anschließend das Regulieren des Erhitzens und/oder das Regulieren des Ein satzes des Synthesegas generierenden Fluids, um die Zusammensetzung des produzierten Synthesegases innerhalb eines gewünschten Bereiches zu halten. Beispielsweise besitzt das produzierte Synthesegas für bestimmte Verwendungen ein Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid von etwa 2 : 1.
- Das Synthesegas kann in einem weiten Temperaturbereich wie z. B. von 400°C bis 1200°C, typischer von 600°C bis 1000°C, erzeugt werden. Bei einer relativ niedrigen Synthesegaserzeugungstemperatur kann ein Synthesegas produziert werden, das ein hohes H2-zu-CO-Verhältnis aufweist. Eine relativ hohe Temperatur der Formation kann ein Synthesegas produzieren, das ein H2-zu-CO-Verhältnis aufweist, das sich 1 nähert, und der Strom kann hauptsächlich und in einigen Fällen im wesentlichen nur H2 und CO umfassen. Bei einer Formationstemperatur von ungefähr 700°C kann die Formation ein Synthesegas mit einem H2-zu-CO-Verhältnis von 2 produzieren. Typischerweise kann Synthesegas erzeugt werden, das ein H2-zu-CO-Molverhältnis im Bereich von 1 : 4 bis 8 : 1, typischer im Bereich von 1 : 2 bis 4 : 1, insbesondere im Bereich von 1 : 1 bis 2,5 : 1 aufweist. Bestimmte Ausführungsformen können umfassen, daß ein erstes Synthesegas mit einem zweiten Synthesegas vermischt wird, um ein Synthesegas mit einer gewünschten Zusammensetzung zu produzieren. Das erste und das zweite Synthesegas können aus verschiedenen Abschnitten der Formation produziert werden.
- Bestimmte Ausführungsformen können umfassen, daß ein erstes Synthesegas mit einem zweiten Synthesegas vermischt wird, um ein Synthesegas mit einer gewünschten Zusammensetzung zu produzieren. Das erste und das zweite Synthesegas können aus verschiedenen Abschnitten der Formation produziert werden.
- Die hierin beschriebenen Synthesegase können für eine Vielzahl von Zwecken angewandt werden. Beispielsweise kann Synthesegas in schwerere, kondensierbare Kohlenwasserstoffe übergeführt werden. Beispielsweise kann ein Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsyntheseverfahren zusammengestellt werden, um Synthesegas in verzweigte und unverzweigte Paraffine mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen überzuführen. Durch das Fischer-Tropsch-Verfahren produzierte Paraffine können zusammengestellt werden, um andere Produkte, wie Diesel, Flugzeugtreibstoff und Naphtaprodukte, zu produzieren. Das produzierte Synthesegas kann auch in einem katalytischen Methanierungsverfahren verwendet werden, um Methan zu produzieren. In alternativer Weise kann das produzierte Synthesegas zur Herstellung von Methanol, Benzin und Dieseltreibstoff, Ammoniak und mittleren Destillaten verwendet werden. Beispiele von Verfahren zur Umwandlung von Synthesegas in Kohlenwasserstoffe in einem Fischer-Tropsch-Verfahren sind in US-A-4 096 163, US-A-6 085 512, US-A-6 172 124 und US-A-4 594 468 veranschaulicht. Beispiele eines katalytischen Methanierungsverfahrens sind in US-A-3 992 148, US-A-4 130 575 und US-A-4 133 825 veranschaulicht. Beispiele von Verfahren zur Herstellung von Methanol sind in US-A-4 407 973, US-A-4 927 857 und US-A-4 994 093 veranschaulicht. Beispiele eines Verfahrens zur Herstellung von Motorentreibstoffen sind in US-A-4 076 761, US-A-4 138 442 und US-A-4 605 680 veranschaulicht.
- Produziertes Synthesegas kann auch als Brennstoff verwendet werden, um die Formation zu erhitzen. Der Wasserstoff im produzierten Synthesegas kann verwendet werden, um Öl zu veredeln. In anderen Ausführungsformen wird produziertes Synthesegas als Einsatzgas zur Herstellung von Ammoniak und Harnstoff verwendet.
- Das Synthesegas kann auch für andere Zwecke verwendet werden. Es kann als Brennstoff verbrannt werden. Das Synthesegas kann zur Erzeugung von Elektrizität, entweder durch Reduzieren des Drucks des Synthesegases in Turbinen und/oder durch Anwenden der Temperatur des Synthesegases zur Herstellung von Dampf (und anschließendes Betreiben von Turbinen) verwendet werden. Synthesegas kann auch in einer Energieerzeugungseinheit, wie einer Brennstoffzelle mit geschmolzenem Carbonat oder einem anderen Typ einer Brennstoffzelle, einer Turbine, einer Kesselfeuerbox, oder einer Untertagegasheizeinrichtung verwendet werden. In einer Brennstoffzelle mit geschmolzenem Carbonat ("MCFC") wird ein geschmolzenes Carbonatsalzgemisch als Elektrolyt verwendet. Die Zusammensetzung des Elektrolyten kann variiert werden. Ein typischer Elektrolyt kann Lithiumcarbonat und Kaliumcarbonat umfassen. Bei einer Betriebstemperatur von etwa 600 bis 650°C ist der Elektrolyt eine Flüssigkeit und ein guter ionischer Leiter. Der Elektrolyt kann in einer porösen, isolierenden und chemisch inerten keramischen Matrix suspendiert sein. Die erzeugte elektrische Energie kann dem Stromnetz zugeführt werden. Ein Teil der erzeugten Elektrizität wird in geeigneter Weise verwendet, um den elektrischen Heizelementen zum Erhitzen der Formation Energie zuzuführen. In einer Ausführungsform ist die Energieerzeugungseinheit eine Kesselfeuerbox. Eine Feuerbox umfaßt eine kleine feuerfest ausgekleidete Kammer, die zur Gänze oder teilweise in die Wand eines Ofens eingebaut ist, zur Verbrennung von Brennstoff. Luft oder Sauerstoff wird der Energieerzeugungseinheit zugeführt, um das produzierte Synthesegas zu oxidieren. Das durch die Oxidation des Synthesegases produzierte Wasser wird in vorteilhafter Weise in die Formation recycliert, um zusätzliches Synthesegas zu produzieren.
- Das produzierte Synthesegas kann auch als Brennstoff in Untertagegasheizeinrichtungen verwendet werden. Untertagegasheizeinrichtungen, wie ein flammenloser Vergaser, wie er hierin beschrieben ist, können konfiguriert werden, um eine Kohlenwasserstoffe enthaltende Formation zu erhitzen. Auf diese Weise ist der Prozeß der Wärmeleitung im wesentlichen selbsterhaltend und/oder er verringert oder eliminiert im wesentlichen den Bedarf an Elektrizität. Da flammenlose Vergaser eine thermische Effizienz aufweisen, die sich 90° annähert, neigt eine Menge an Kohlendioxid, welche an die Umgebung freigesetzt wird, dazu weniger als eine Menge an Kohlendioxid zu sein, welche an die Umgebung aus einem Prozeß abgegeben wird, der aus fossilem Brennstoff erzeugte Elektrizität zum Erhitzen der Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation anwendet.
- Eine Zusammensetzung von Synthesegas zur Verwendung in einer Energieerzeugungseinheit kann im Bereich von einem H2-zu-Kohlenmonoxid-Verhältnis von etwa 8 : 1 bis 12 : 1 (z. B. 10 : 1) liegen. Synthesegas mit niedrigeren H2-zu-Kohlenmonoxid-Verhältnissen kann jedoch ebenfalls in geeigneter Weise zur Energieerzeugung eingesetzt werden.
- Bestimmte Ausführungsformen umfassen das Abtrennen eines Brennstoffzelleneinsatzstroms von Fluiden, welche durch die Pyrolyse von wenigstens etwas des Kohlenwasserstoffe enthaltenden Materials innerhalb einer Formation produziert werden. Der Brennstoffzelleneinsatzstrom kann H2 und Kohlenwasserstoffe umfassen. Zusätzlich können bestimmte Ausführungsformen das Leiten des Brennstoffzelleneinsatzstroms zu einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität umfassen. Die aus dem Synthesegas oder den Pyrolysefluiden in der Brennstoffzelle gewonnene Elektrizität kann vorteilhafterweise konfiguriert werden, um elektrische Heizeinrichtungen zu betreiben, welche konfiguriert sind, um wenigstens einen Abschnitt der Formation zu erhitzen. Bestimmte Ausführungsformen umfassen das Abtrennen von Kohlendioxid aus einem Fluid, welches aus der Brennstoffzelle austritt. Aus einer Brennstoffzelle oder einer Formation produziertes Kohlendioxid kann für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden.
- In einer Ausführungsform kann ein Abschnitt einer Formation, welcher pyrolysiert und/oder einer Synthesegasbildung unterworfen wurde, abkühlen gelassen werden, oder er kann abgekühlt werden, um einen abgekühlten, erschöpften Abschnitt innerhalb der Formation auszubilden. Beispielsweise kann ein erhitzter Abschnitt einer Formation durch Wärmeübertragung an einen benachbarten Abschnitt der Formation abkühlen gelassen werden.
- Die Wärmeübertragung kann natürlich erfolgen oder sie kann durch die Einbringung von Wärmeübertragungsfluiden durch den erhitzten Abschnitt in den kühleren Abschnitt der Formation erzwungen werden. In alternativer Weise kann das Einbringen von Wasser in den ersten Abschnitt der Formation den ersten Abschnitt abkühlen. Wasser, welches in den ersten Abschnitt eingebracht wird, kann aus der Formation als Dampf gewonnen werden. Das entfernte Wasser kann in einen heißen Abschnitt der Formation injiziert werden, um Synthesegas auszubilden. Das Abkühlen der Formation gewährleistet bestimmte Vorteile, einschließlich der Erhöhung der Festigkeit des Gesteins in der Formation, wodurch eine Senkung abgeschwächt wird, und des Erhöhens der absorptiven Kapazität der Formation.
- Nach der Produktion von Pyrolysefluiden und/oder Synthesegas kann ein Fluid (z. B. Kohlendioxid) innerhalb der Formation sequestriert werden. Um eine bedeutende Menge an Fluid innerhalb der Formation zu speichern, wird es oft notwendig sein, daß die Temperatur der Formation weniger als etwa 100°C beträgt. Wasser kann in wenigstens einen Abschnitt der Formation eingeleitet werden, um Wasserdampf zu erzeugen und die Temperatur der Formation zu verringern. Der Wasserdampf kann aus der Formation entfernt werden. Der Wasserdampf kann für verschiedene Zwecke genutzt werden, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, um einen weiteren Abschnitt der Formation zu erhitzen, um Synthesegas in einem benachbarten Abschnitt der Formation zu erzeugen, oder als Dampfeinpressung in einer Erdöllagerstätte. Nachdem die Formation abgekühlt ist, kann Fluid (z. B. Kohlendioxid) in der Formation unter Druck gesetzt und sequestriert werden. Das Sequestrieren von Fluid innerhalb der Formation kann zu einer deutlichen Abnahme oder Eliminierung von Fluid, das auf Grund des Betriebes des in situ-Verfahrens in die Umwelt freigesetzt wird, führen.
- Ein Beispiel eines Verfahrens zum Sequestrieren von Kohlendioxid ist in US-A-5566756 beschrieben. Kohlendioxid wird geeigneterweise unter Druck in den abgekühlten, erschöpften Abschnitt der Formation injiziert. Das injizierte Kohlendioxid kann auf dem kohlenwasserstoffhältigen Material in der Formation adsorbiert werden. Das Kohlendioxid kann während der Pyrolyse, der Synthesegaserzeugung und/oder der Entnahme nützlicher Energie erzeugt werden. Die darauffolgende Zugabe von Wasser zur Formation kann die Desorption des Kohlendioxids verhindern. In einer Ausführungsform werden die produzierten Fluide in einem abgekühlten, erschöpften Abschnitt der Formation gelagert. In einigen Ausführungsformen wird Kohlendioxid in verhältnismäßig tiefen Kohleflözen gelagert und verwendet, um Methan aus Kohleflözen zu desorbieren.
- Die Kohlenwasserstoffe enthaltende Formation kann aus jeder beliebigen unterirdischen Ressource, welche Kohlenwasserstoffe enthält, ausgewählt werden. Diese Formationen umfassen Kohle, Ölschiefer, Teersande, schwere Kohlenwasserstoffe mit hoher Viskosität, Bitumen enthaltende Formationen und dergleichen.
- Vorzugsweise enthält die Kohlenwasserstoffe enthaltende Formation für die Verwendung in dieser Erfindung Kerogen. Kerogen setzt sich aus organischem Material zusammen, welches infolge eines Reifungsprozesses umgewandelt wurde. Kohlenwasserstoffe enthaltende Formationen, die Kerogen umfassen, sind z. B. Kohle enthaltende Formationen und Ölschiefer enthaltende Formationen. Alternativ können Kohlenwasserstoffe enthaltende Formationen behandelt werden, die kein Kerogen umfassen, z. B. Formationen, die schwere Kohlenwasserstoffe enthalten (z. B. Teersande).
- Kohlenwasserstoffe enthaltende Formationen können auf der Grundlage von Eigenschaften von wenigstens einem Abschnitt der Formation zur in situ-Behandlung ausgewählt werden, so daß diese zur Produktion von qualitativ hochwertigen Fluiden aus der Formation führt. Beispielsweise können Kohlenwasserstoffe enthaltende Formationen, die Kerogen umfassen, auf der Grundlage der Vitrinitreflexion des Kerogens für eine Behandlung bewertet oder ausgewählt werden. Die Vitrinitreflexion steht oft mit dem Verhältnis von elementarem Wasserstoff zu Kohlenstoff eines Kerogens und mit dem Verhältnis von elementarem Sauerstoff zu Kohlenstoff des Kerogens in Beziehung. Vorzugsweise liegt die Vitrinitreflexion im Bereich von 0,2% bis 3,0%, noch bevorzugter von 0,5% bis 2,0%. Solche Bereiche der Vitrinitreflexion neigen dazu, anzuzeigen, daß qualitativ relativ höherwertige Kohlenwasserstofffluide aus der Formation produziert werden.
- Die Kohlenwasserstoffe enthaltende Formation kann auf der Grundlage des Gehalts an elementarem Wasserstoff in der Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation für eine Behandlung ausgewählt werden. Beispielsweise kann ein Verfahren zur Behandlung einer Kerogen enthaltenden Formation typischerweise umfassen, daß eine Kohlenwasserstoffe enthaltende Formation für eine Behandlung ausgewählt wird, die Kerogen mit einem Gehalt an elementarem Wasserstoff von größer als 2 Gew.-%, vorzugsweise größer als 3 Gew.-%, oder noch bevorzugter größer als 4 Gew.-%, gemessen auf trockener, aschefreier Basis, aufweist. Die Kohlenwasserstoffe enthaltende Formation enthält vorzugsweise Kerogen mit einem Verhältnis von elementarem Wasserstoff zu Kohlenstoff im Bereich von 0,5 bis 2, insbesondere von 0,70 bis 1,7. Der Gehalt an elementarem Wasserstoff kann die Zusammensetzung der produzierten Kohlenwasserstofffluide signifikant beeinflussen, z. B. durch die Bildung von molekularem Wasserstoff.
- Die Entfernung von Kohlenwasserstoffen infolge der Behandlung von wenigstens einem Abschnitt einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation, wie es in jedweder der vorstehenden Ausführungsformen beschrieben ist, kann auch im mikroskopischen Maßstab erfolgen. Kohlenwasserstoffe können aus Mikroporen von Kohlenwasserstoffe enthaltendem Material innerhalb des Abschnitts infolge Erhitzens entfernt werden. Mikroporen können allgemein als Poren mit einer Querschnittsdimension von weniger als etwa 1000 Å definiert werden. Auf diese Weise kann ein solches Entfernen von Kohlenwasserstoffen zu einem im wesentlichen gleichförmigen Anstieg der Porosität innerhalb wenigstens eines ausgewählten Teilabschnitts des erhitzten Abschnitts führen. Das Erhitzen des Abschnitts einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation, wie es in jedweder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschrieben ist, kann eine Porosität eines ausgewählten Teilabschnitts innerhalb des erhitzten Abschnitts im wesentlichen gleichförmig erhöhen. Im Zusammenhang mit diesem Patent bedeutet „im wesentlichen gleichförmige Porosität", daß die bewertete (z. B. die berechnete oder geschätzte) Porosität von jedwedem ausgewählten Abschnitt in der Formation um nicht mehr als einen Faktor 10 von der bewerteten durchschnittlichen Porosität eines solchen ausgewählten Abschnitts variiert.
- Die Kohlenwasserstoffe enthaltende Formation kann auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der Pyrolyse stattfinden kann. Der Temperaturbereich für die Pyrolyse kann Temperaturen bis zu beispielsweise 900°C umfassen. Ein Großteil von Kohlenwasserstofffluiden kann innerhalb eines Pyrolysetemperaturbereiches von 250°C bis 400°C, bevorzugter im Bereich von 260°C bis 375°C produziert werden. Eine Temperatur, die ausreichend ist, um schwere Kohlenwasserstoffe in einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation mit relativ geringer Permeabilität zu pyrolysieren, kann innerhalb eines Bereiches von 270°C bis 300°C liegen. Bei weiteren Ausführungsformen kann eine Temperatur, die ausreichend ist, um schwere Kohlenwasserstoffe zu pyrolysieren, innerhalb eines Bereiches von 300°C bis 375°C liegen. Wenn eine Kohlenwasserstoffe enthaltende Formation über den gesamten Pyrolysetemperaturbereich erhitzt wird, kann die Formation in Richtung der Obergrenze des Pyrolysetemperaturbereiches nur geringe Mengen an Wasserstoff fördern. Nachdem der verfügbare Wasserstoff aufgebraucht ist, kann eine geringe Kohlenwasserstoffproduktion aus der Formation erfolgen.
- Gemäß der Erfindung wird der Druck während der Pyrolyse und während der Produktion des Kohlenwasserstofffluids aus der Formation geregelt werden. Typischerweise wird ein Druck von wenigstens 1,0 bar angelegt, noch typischer wenigstens 1,5 bar, insbesondere wenigstens 1,8 bar. Insbesondere kann, wenn die Pyrolysetemperatur wenigstens 300°C beträgt, ein Druck von wenigstens 1,6 bar angelegt werden. Die Druckobergrenze kann durch die Struktur und das Gewicht der überlagernden Schichten bestimmt sein. Häufig beträgt der Druck unter Praxisbedingungen weniger als 70 bar, häufiger weniger als 60 bar oder sogar weniger als 50 bar. Der Druck kann vorteilhafterweise innerhalb eines Bereiches von 2 bar bis 18 bar oder 20 bar, oder alternativ innerhalb eines Bereiches von 20 bar bis 36 bar geregelt werden.
- In einer bevorzugten Ausführungsform wird wie hierin vorstehend beschrieben ein Wasserstoffpartialdruck aufrecht erhalten. Typischerweise beträgt der Partialdruck wenigstens 0,5 bar, beispielsweise bis zu 20 bar, typischer im Bereich von 1 bar bis 10 bar, spezieller im Bereich von 5 bar bis 7 bar. Das Aufrechterhalten eines Wasserstoffpartialdruckes innerhalb der Formation erhöht insbesondere die API-Schwerkraft der produzierten Kohlenwasserstofffluide und verringert die Produktion von langkettigen Kohlenwasserstofffluiden.
- Die physikalischen Eigenschaften eines Abschnitts einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation nach der Pyrolyse können jenen eines porösen Betts ähnlich sein. Beispielsweise kann ein Abschnitt der die Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation nach der Pyrolyse Teilchen mit Größen von etwa mehreren Millimetern umfassen. Solche physikalischen Eigenschaften können sich von den physikalischen Eigenschaften einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation unterscheiden, welche einer Injektion von Gasen zur Verbrennung von Kohlenwasserstoffe enthaltendem Material unterzogen wurde, um das Koh lenwasserstoffe enthaltende Material zu erhitzen. Derartige Gase, welche in unberührte oder Risse aufweisende Formationen injiziert werden, können dazu neigen, in Kanälen zu strömen und nicht gleichförmig überall in der Formation verteilt zu werden. Im Gegensatz dazu kann ein in einen pyrolysierten Abschnitt einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation injiziertes Gas kann leicht und im wesentlichen gleichförmig mit dem in der Formation verbliebenen Kohlenwasserstoffe enthaltenden Material in Kontakt treten. Zusätzlich können die durch Erhitzen des Kohlenwasserstoffe enthaltenden Materials produzierten Gase eine signifikante Distanz innerhalb des erhitzten Abschnitts der Formation mit einem minimalen Druckverlust zurücklegen. Ein derartiger Transfer von Gasen kann besonders vorteilhaft sein, beispielsweise bei der Behandlung einer steil abfallenden Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation.
- In einer Ausführungsform kann die Injektion von zusätzlichen Komponenten in die Formation gemeinsam mit Dampf eine Zusammensetzung des erzeugten Synthesegases verändern. Kohlendioxid kann in dem Synthesegas generierenden Fluid bereitgestellt werden, um die Produktion von Kohlendioxid, welches aus der Formation während der Synthesegaserzeugung produziert wird, im wesentlichen zu verhindern. Das Kohlendioxid kann das Gleichgewicht der Bildung von Kohlendioxid aus dem Kohlenstoff der Formation verschieben und dadurch die Menge an aus dem Kohlenstoff der Formation gebildetem Kohlendioxid verringern. Das Kohlendioxid kann auch mit Kohlenstoff in der Formation reagieren, um Kohlenmonoxid zu bilden. Das Kohlendioxid kann aus dem Synthesegas abgetrennt und in die Formation mit dem Synthesegas generierenden Fluid reinjiziert werden.
- Ein Druck der Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation kann während der Synthesegasproduktion bei verhältnismäßig hohen Drücken gehalten werden. Der Druck kann von Atmosphärendruck bis zum lithostatischen Druck reichen. Das Synthesegas kann somit in einem weiten Temperaturbereich, beispielsweise von 1 bar bis 100 bar, typischer von 2 bar bis 80 bar, insbesondere von 5 bar bis 60 erzeugt werden. Hohe Betriebsdrücke können auch zu einer erhöhten Produktion von H2 führen. Hohe Betriebsdrücke können die Erzeugung von Elektrizität ermöglichen, indem produziertes Synthesegas durch eine Turbine geleitet wird, und sie können kleinere Sammelleitungen für den Transport von produziertem Synthesegas ermöglichen.
- Synthesegas kann chargenweise oder durch kontinuierliche Injektion produziert werden. Beim chargenweisen Betrieb kann oxidierendes Fluid, wie Luft oder Sauerstoff, in die Formation mittels einer Bohrung injiziert werde. Die Oxidation von Kohlenwasserstoffe enthaltendem Material kann eine Region der Formation erhitzen. Die Injektion von Luft oder Sauerstoff kann fortgesetzt werden, bis eine Durchschnittstemperatur der Region die gewünschte Temperatur erreicht, z. B. von etwa 900°C bis etwa 1000°C. Höhere und niedrigere Temperaturen können ebenfalls angewandt werden. Es kann ein Temperaturgradient in der Region zwischen der Injektionsbohrung und einer Produktionsbohrung, über welche Synthesegas gewonnen wird, ausgebildet werden. Die höchste Temperatur des Gradienten kann nahe der Injektionsbohrung lokalisiert sein.
- Wenn eine gewünschte Temperatur erreicht ist oder wenn oxidierendes Fluid während einer gewünschten Zeitspanne injiziert wurde, kann die Injektion mit oxidierendem Fluid verringert und/oder beendet werden. Ein Synthesegas generierendes Fluid, wie Dampf oder Wasser, kann in eine verschiedene Injektionsbohrung injiziert werden, um Synthesegas zu produzieren. Ein Gegendruck des injizierten Dampfes oder Wassers in der Injektionsbohrung kann das produzierte Synthesegas und nicht umgesetzten Dampf durch die Region zwingen. Der Produktstrom kann durch die Bohrung erhalten werden, in welche oxidierendes Fluid injiziert wurde. Wenn die Zusammensetzung des Produkts von einer gewünschten Zusammensetzung wesentlich abweicht, dann kann die Dampfinjektion beendet werden und die Luft- oder Sauerstoffinjektion kann wieder reinitiert werden.
- Im kontinuierlichen Betrieb können ein oxidierendes Fluid und ein Synthesegas generierendes Fluid in wesentlichen gleichzeitig an Injektionsbohrungen injiziert werden und Synthesegas an Produktionsbohrungen gewonnen werden. Beispielsweise können Sauerstoff und Dampf kontinuierlich im gewünschten Verhältnis (z. B. von 1 : 2 bis 1 : 4) injiziert werden.
- Beispiel 1
- Kohlenwasserstofffluide wurden aus einem Abschnitt einer kohlehältigen Formation durch einen in situ-Versuch produziert, welcher in einem Abschnitt einer kohlehältigen Formation durchgeführt wurde. Die Kohle ist eine einen hohen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen aufweisende bituminöse C-Kohle. Sie wurde mit elektrischen Heizeinrichtungen erhitzt. Das experimentelle Feldversuchssystem umfaßte wenigstens eine kohlehältige Formation innerhalb einer Spritzwand. Die kohlehältige Formation neigte sich mit einem Winkel von ungefähr 36° mit einer unterbrochenen Stärke von ungefähr 4,9 m. Es wurden drei Heizquellen, zwei Produktionsbohrungen und vier Temperaturbeobachtungsbohrungen innerhalb des experimentellen Feldversuchssystems verwendet. Die drei Heizquellen wurden in dreieckiger Konfiguration mit 2 m Abstand auf jeder Seite angeordnet. Eine zentrale Produktionsbohrung wurde nahe einem Zentrum des Heizquellenmusters und äquidistant von jeder der Heizquellen angeordnet. Eine zweite äußere Produktionsbohrung wurde außerhalb des Heizquellenmusters und äquidistant von den beiden nächsten Heizquellen angeordnet. Eine Spritzwand wurde um das Heizquellenmuster und die Produktionsbohrungen ausgebildet. Die Spritzwand umfaßte Pfeiler, um ein Einströmen von Wasser in den Abschnitt während des in situ-Versuchs zu vermeiden und um einen Verlust von generierten Kohlenwasserstofffluiden an einen nicht erhitzten Abschnitt der Formation im wesentlichen zu vermeiden.
- Die Temperaturen wurden zu verschiedenen Zeitpunkten während des Versuchs an jeder der vier Temperaturbeobachtungsbohrungen gemessen. Die Formation wurde über drei Monate bei einer Temperatur unter 400°C erhitzt. Gas und Flüssigkeit wurden aus der Formation über eine zentrale Produktionsbohrung produziert. Vier Barrel Öl und etwa 282.000 Standardkubikfuß Gas wurden während der Pyrolysestufe produziert. Die Gesamtbarrel an Öläquivalent während der Pyrolysestufe waren 31,5 BOE. Die gesamte Pyrolysestufe dauerte 134 Tage.
- Darauffolgend wurde Synthesegas im Abschnitt der kohlehältigen Formation produziert. In diesem Versuch wurden die Heizbohrungen auch konfiguriert, um Fluide zu injizieren und zu gewinnen. Die Synthesegasproduktion begann nach einem Energieeinsatz von ungefähr 77.000 kW/h. Die mittlere Kohletemperatur in der Pyrolyseregion während der Synthesegasbildung betrug etwa 620°C. Ungefähr 243.000 Standardkubikfuß Gas wurden während der Stufe der Synthesegaserzeugung produziert. Die Gesamtbarrel an Öläquivalent, welche während der Synthesegasstufe produziert wurden, waren 6,9 BOE. Die Menge an verwertbarer Energie, die im produzierten Synthesegas enthalten war, war geringer als jene, die in den Pyrolysefluiden enthalten war. Die Synthesegasproduktion ist aus zwei Gründen weniger energieeffizient als die Pyrolyse. Erstens besitzen die Synthesegasreaktionsprodukte einen niedrigeren Energiegehalt als die in der Pyrolyse produzierten, eine niedrige Kohlenstoffanzahl aufweisenden Kohlenwasserstoffe. Zweitens verbraucht die endotherme Synthesegasreaktion Energie.
- Synthesegas kann in einer Formation infolge des Einströmens von natürlichem Wasser in die heiße Kohleformation bei einer Temperatur der Synthesegaserzeugung erhalten werden, bevor Wasser oder Dampf injiziert werden. Natürliches Wasser kann von unterhalb der Formation kommen. In dem experimentellen Feldversuch betrug der maximale natürliche Wasserzustrom unge fähr 5 kg/h. Wasser wurde mit Geschwindigkeiten von etwa 2,7 kg/h, 5,4 kg/h bzw. 11 kg/h in die zentrale Produktionsbohrung injiziert. Die Produktion von Synthesegas erfolgt an den drei Heizbohrungen. Die Synthesegasproduktion pro Einheitsvolumen an injiziertem Wasser war bei einem Wassergesamtzustrom über 7,7 kg/h konstant und begann bei ungefähr 2,7 kg/h an injiziertem Wasser oder 7,7 kg/h Wassergesamtzustrom abzusinken. Der Grund für das Absinken besteht darin, daß Dampf zu rasch durch das Kohleflöz strömte, um mit der Formation ein Reaktionsgleichgewicht zu erreichen, was darauf hinweist, daß das injizierte Wasser mit der Formation bei etwa 2,7 kg/h an injiziertem Wasser oder 7,7 kg/h an Wassergesamtzustrom im Reaktionsgleichgewicht steht.
- Ein zweiter Lauf entspricht der Injektion von Dampf an einer Heizbohrung und der Produktion von zusätzlichem Gas an der zentralen Produktionsbohrung. Der zweite Lauf führt zur im wesentlichen gleichen Menge an produziertem zusätzlichem Synthesegas. Wieder beginnt bei höheren Injektionsgeschwindigkeiten die Produktion vom Gleichgewicht abzuweichen, da die Verweildauer für das zusätzliche Wasser für die Reaktion mit der Kohle unzureichend ist. Mit steigender Temperatur wird eine größere Menge an zusätzlichem Synthesegas für eine gegebene Geschwindigkeit an injiziertem Wasser produziert. Der Grund besteht darin, daß bei höheren Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit und die Umwandlung von Wasser in Synthesegas ansteigt.
- Tabelle I umfaßt die Zusammensetzung von Synthesegas, welches während eines Laufes eines in situ-Kohlefeldversuchs produziert wurde.
- Der Versuch wurde im Chargenmodus bei etwa 620°C durchgeführt, wobei das Erhitzen durch elektrische Heizeinrichtungen erfolgte. Das Vorhandensein von Stickstoff und Sauerstoff beruht auf der Kontaminierung der Probe mit Luft. Die Mol-% an H2, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, wobei die Zusammensetzung aller anderen Spezies außer Acht gelassen wird, können für die vor stehenden Daten ermittelt werden. Beispielsweise können die Mol-% an H2, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid proportional erhöht werden, sodaß die Molprozentsätze der drei Komponenten ungefähr gleich 100% sind. Auf diese Weise sind die Mol-% an H2, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, ungeachtet der Zusammensetzung aller anderen Spezies, 63,8%, 14,4% bzw. 21,8%. Vom Methan wird angenommen, daß es primär aus der Pyrolyseregion außerhalb des Dreieckes von Heizeinrichtungen stammt.
- Die Experimente wurden mit Methaninjektion in die heiße Kohle durchgeführt. Methan wurde in die zentralen Produktionsbohrungen injiziert und das Fluid wurde aus den drei Heizbohrungen produziert. Die mittleren Temperaturen, welche bei verschiedenen Bohrungen gemessen wurden, waren wie folgt: Heizbohrungen 746°C, 746°C bzw. 767°C, und an der äußeren und der zentralen Produktionsbohrung 606°C bzw. 769°C. Wenn das Methan mit der Formation in Kontakt tritt, kann es innerhalb der Formation cracken, um H2 und Koks zu liefern. Mit steigender Methaninjektionsgeschwindigkeit steigt die Produktion an H2, was darauf hinweist, daß Methan gecrackt wird, um H2 auszubilden. Die Methanproduktion steigt auch, was darauf hinweist, daß nicht das gesamte injizierte Methan gecrackt wird. Die gemessenen Zusammensetzungen von Ethan, Ethen, Propan und Butan waren vernachlässigbar. Das H2 kann in einer Brennstoffzelle verwendet werden, um elektrische Energie zu gewinnen. Jedes nicht gecrackte Methan kann vom H2 abgetrennt und in die Formation reinjiziert werden.
- In einem getrennten Versuch wurde Ethan in die zentrale Produktsbohrung injiziert und das Fluid wurde aus den drei Heizbohrungen produziert. Die mittleren Temperaturen, die bei verschiedenen Bohrungen gemessen wurden, waren wie folgt: Heizbohrungen 742°C, 750°C bzw. 744°C, und äußere und zentrale Produktionsbohrung 626°C bzw. 818°C. Wenn Ethan mit der Formation in Kontakt tritt, kann es innerhalb der Formation cra cken, um H2, Methan, Ethen und Koks zu erhalten. Es wurde festgestellt, daß mit steigender Methaninjektionsgeschwindigkeit die Produktion von H2, Methan, Ethan und Ethen ansteigt, was darauf hinweist, daß Ethan gecrackt wird, um H2 und Komponenten mit geringerem Molekulargewicht auszubilden. Die Fließgeschwindigkeit von Propan und Propylen wurde durch die Injektion von Ethan nicht beeinflußt.
- In einem getrennten Versuch wurde Propan in die zentrale Produktionsbohrung injiziert und Fluid wurde aus den Heizbohrungen produziert. Die mittleren Temperaturen, welche bei verschiedenen Bohrungen gemessen wurden, waren wie folgt: Heizbohrungen 737°C, 753°C bzw. 726°C, äußere und zentrale Produktionsbohrung 606°C bzw. 759°C. Wenn Propan mit der Formation in Kontakt tritt, kann es innerhalb der Formation gecrackt werden, um H2, Methan, Ethan, Ethen, Propylen und Koks auszubilden. Mit steigender Propaninjektionsgeschwindigkeit steigt die Produktion an H2, Methan, Ethan, Ethen, Propan und Propylen, was darauf hinweist, daß Propan gecrackt wird, um H2 und Komponenten mit niedrigerem Molekulargewicht auszubilden.
- In einem getrennten Versuch wurde Butan in die zentrale Produktionsbohrung injiziert und Fluid wurde aus den Heizbohrungen produziert. Die bei verschiedenen Bohrungen gemessene mittlere Temperatur war wie folgt: Heizbohrungen 772°C, 764°C bzw. 753°C, und äußere und zentrale Produktionsbohrung 624°C bzw. 830°C. Wenn Butan mit der Formation in Kontakt tritt, kann es innerhalb der Formation gecrackt werden, um H2, Methan, Ethan, Ethen, Propan, Propylen und Koks auszubilden. Es wurde festgestellt, daß mit steigender Butaninjektionsgeschwindigkeit die Produktion von H2, Methan, Ethan, Ethen, Propan und Propylen ansteigt, was darauf hinweist, daß Butan gecrackt wird, um H2 und Komponenten mit niedrigerem Molekulargewicht auszubilden.
- Die folgende Tabelle II veranschaulicht die Ergebnisse aus der Analyse der Kohle bevor und nachdem diese behandelt wurde, d. h. vor der Pyrolyse und der Produktion von Synthesegas im vorstehend beschriebenen Feldversuch. Die Kohle wurde sowohl bei den "vor der Behandlung"- als auch bei den "nach der Behandlung"-Beispielen bei etwa 36 bis 37 Fuß von der Oberfläche auf halber Strecke in das Kohlebett entnommen. Beide Bohrkerne wurden an etwa der gleichen Stelle entnommen. In der folgenden Tabelle II bedeutet "FA" Fischer-Assay, "wie erhalten" bedeutet, daß die Probe so wie sie erhalten wurde und ohne weitere Behandlung getestet wurde, "Py-Wasser" bedeutet das während der Pyrolyse produzierte Wasser, "H/C-Atomverhältnis" bedeutet das Atomverhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff, "daf" bedeutet "trocken, aschefrei", "dmmf" bedeutet "trocken, von Mineralmaterialien frei" und "mmf" bedeutet "von Mineralmaterialien frei". Die Dichte der "nach der Behandlung"-Kernprobe betrug ungefähr 0,85 g/ml, wogegen die Dichte der "vor der Behandlung"-Kernprobe ungefähr 1,35 g/ml betrug.
- Zusammengefaßt zeigen die in der vorstehenden Tabelle II angeführten Ergebnisse, daß eine beträchtliche Menge an Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff während der Behandlung der Kohle durch Pyrolyse und Erzeugung von Synthesegas entfernt wurden. Signifikante Mengen an unerwünschten Produkten (Asche und Stickstoff) verblieben in der Formation, während die signifikanten Mengen an wünschenswerten Produkten (z. B. kondensierbare Kohlenwasserstoffe und Gas) entfernt wurden.
- Beispiel 2
- Es wurden die trockenen Gleichgewichts-Molfraktionen von Gas für eine Kohlereaktion mit Wasser berechnet. Die Methanreaktionen sind nicht enthalten und vom Kohleteer wird angenommen, daß dieser Kohlenstoff ist. Die Fraktionen sind für ein Gas beispielhaft, welches aus einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Formation produziert wurde, das durch einen Kühler zur Entfernung von Wasser aus dem produzierten Gas geleitet wurde. Die trockenen Gleichgewichts-Molfraktionen von Gas wurden für H2, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid als Funktion der Temperatur bei einem Druck von 2 bar absolut berechnet. Bei 390°C neigt die Produktion von Flüssigkeiten dazu zu enden und die Produktion von Gasen neigt dazu zu beginnen. Die bei dieser Temperatur produzierten Gase umfaßten etwa 67% H2 und etwa 33% Kohlendioxid. Kohlenmonoxid ist in vernachlässigbaren Mengen unter etwa 410°C vorhanden. Bei Temperaturen von etwa 500°C ist Kohlenmonoxid im produzierten Gas jedoch in meßbaren Mengen vorhanden. Beispielsweise sind bei 500°C etwa 66,5% H2, etwa 32% Kohlendioxid und etwa 2,5% Kohlenmonoxid vorhanden. Bei 700°C umfaßt das produzierte Gas etwa 57,5% H2, etwa 15,5% Kohlendioxid und etwa 27% Kohlenmonoxid.
- Die feuchten Gleichgewichts-Molfraktionen wurden für eine Kohlereaktion mit Wasser berechnet. Die feuchten Gleichgewichts-Molfraktionen sind für Wasser, H2, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid als Funktion der Temperatur bei einem Druck von 2 bar ab solut angeführt. Bei 390°C umfaßt das produzierte Gas etwa 89% Wasser, etwa 7% H2 und etwa 4% Kohlendioxid. Bei 500°C umfaßt das produzierte Gas etwa 66% Wasser, etwa 22% H2, etwa 11% Kohlendioxid und etwa 1% Kohlenmonoxid. Bei 700°C umfaßt das produzierte Gas etwa 18% Wasser, etwa 47,5% H2, etwa 12% Kohlendioxid und etwa 22,5% Kohlenmonoxid.
- Diese Berechnungen veranschaulichen, daß am unteren Ende des Temperaturbereichs, bei welchem Synthesegas produziert werden kann, (d. s. etwa 400°C) die Gleichgewichts-Gasphasenfraktionen, die Produktion von H2 aus Kohlenwasserstoffen und Dampf nicht begünstigen können. Mit steigender Temperatur begünstigen die Gleichgewichts-Gasphasenfraktionen in steigendem Maß die Produktion von H2. Beispielsweise steigt die feuchte Gleichgewichts-Gasphasenmolfraktion von H2 von etwa 9% bei 400°C auf etwa 39% bei 610°C an und erreicht 50% bei etwa 800°C. Die Berechnungen veranschaulichen ferner, daß bei Temperaturen von mehr als etwa 660°C Gleichgewichts-Gasphasenfraktionen dazu neigen, die Produktion von Kohlenmonoxid gegenüber Kohlendioxid zu begünstigen. Sie veranschaulichen auch, daß mit steigender Temperatur von etwa 400°C auf etwa 1.000°C das H2-zu-Kohlenmonoxid-Verhältnis von produziertem Synthesegas über diesen Bereich kontinuierlich absinken kann. Beispielsweise beträgt das Verhältnis von H2 zu Kohlenmonoxid in der Gleichgewichtsgasphase bei 500°C, 660°C und 1.000°C etwa 22 : 1, etwa 3 : 1 bzw. etwa 1 : 1. Das bei niedrigeren Temperaturen produzierte Synthesegas kann eine größere Menge an Wasser und Kohlendioxid enthalten als bei höheren Temperaturen. Mit steigender Temperatur kann der Gesamtprozentsatz an Kohlenmonoxid und Wasserstoff innerhalb des Synthesegases ansteigen.
- Andere Verfahren zur Produktion von Synthesegas wurden erfolgreich im experimentellen Feldversuch gezeigt. Diese umfassen die kontinuierliche Injektion von Dampf und Luft, von Dampf und Sauerstoff, von Wasser und Luft, von Wasser und Sauer stoff, von Dampf, Luft und Kohlendioxid. Alle diese Injektionen erzeugten erfolgreich Synthesegas in der heißen Kohleformation.
Claims (13)
- Verfahren zur Herstellung eines Gases aus einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden unterirdischen Formation, umfassend: Zuführen von Wärme zu wenigstens einem Abschnitt der unterirdischen Formation in solcher Weise, daß wenigstens ein Teil des erhitzten Abschnittes die Pyrolysetemperatur von Kohlenwasserstoffen erreicht, unter Ausbildung von Pyrolyseprodukten; Gewinnen von Pyrolyseprodukten aus der unterirdischen Formation über einen längeren Zeitraum; und anschließendes Injizieren eines Fluids in den erhitzten Teil der Formation, was zur Ausbildung eines Reaktionsproduktes durch Umsetzung des Fluids mit in der Formation verbliebenem kohlenstoffhältigen Material führt; dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid ein Synthesegas generierendes Fluid ist, das mit dem erhitzten Teil bei einer Temperatur im Bereich von 400°C bis 1.200°C umgesetzt wird, um Synthesegas mit einem der Temperatur entsprechenden H2/CO-Verhältnis auszubilden.
- Verfahren nach Anspruch 1, worin das Synthesegas generierende Fluid Wasser und/oder Kohlendioxid ist.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin vor oder während der Synthesegasbildung zusätzliche Wärme der Formation zugeführt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Synthesegas generierende Fluid ein Dampf und Sauerstoff einschließendes Gemisch umfaßt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Druck von Atmosphärendruck bis zum lithostatischen Druck der Formation reicht.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Synthesegas generierende Fluid durch Pyrolyse produziertes Wasser einschließt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die gewonnenen Synthesegase in einer Fischer-Tropsch-Kohlenwasserstoffsynthese zu schwereren kondensierbaren Kohlenwasserstoffen umgewandelt werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Kohlenwasserstoffe enthaltende Formation Kerogen enthält.
- Verfahren nach Anspruch 8, worin die Kohlenwasserstoffe enthaltende Formation Kerogen mit einer Vitrinitreflexion von 0,2% bis 3,0% enthält.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Formation durch eine oder durch mehrere Heizquellen erhitzt wird, die in einer oder in mehreren Hitzeinjektionsbohrungen angeordnet sind.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Zusammensetzung des produzierten Synthesegases überwacht wird und das Erhitzen und/oder das Einbringen von Synthesegas generierendem Fluid derart geregelt wird bzw. werden, daß die Zusammensetzung des gebildeten Synthesegases innerhalb eines gewünschten Bereiches gehalten wird.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin während der Produktion von Synthesegas die Formation auf eine Temperatur zwischen 600°C und 1.000°C erhitzt wird.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin während der Produktion von Synthesegas ein Druck in der Formation zwischen 2 und 80 bar, vorzugsweise zwischen 5 und 60 bar aufrechterhalten wird.
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